Java Class File Format

JAVA CHOBO
STUDY SEMINAR
2013. 12.
Eminency
http://cafe.naver.com/javachobostudy

CONTENTS

1.
2.
3.
4.

What is „Format‟
Bytecode Concept
Compile
Class File Format

BYTES

컴퓨터에서 처리되는 모든 것은 byte의
흐름(Stream)
(File)
0x03, 0x22, 0x00, 0x3a, …
(Memory)
0xff, 0xdf, 0x32, 0x4a, …
(Network Data)
0x9d, 0x34, 0x05, 0x80, …

그럼 어떤 데이터를 어떻게
구분해서 사용할 수 있지?

-> 미리 약속된 DATA FORMAT에
따라 입출력하게 됨
(NETWORK의 경우
프로토콜이라고 불림)

FILE FORMAT

• 8 byte짜리 파일 “what.dat”
“0x04, 0x68, 0x9f, 0x6f, 0x79, 0x0a, 0xc8,
0x55”
• Format 을 모르면 무용지물
• short(2), int(4), byte(1), byte(1) 일
수도
• Double(8) 일 수도
• 단지 String일 수도 있음(text file)
• 기본적으로 문자 코드(Ascii code, UTF-8,
EUC-KR, …)로만 이루어져 있으면
텍스트 파일, 그 외에는 바이너리
파일이라고 보면 됨.
• 에디터에서 잘 보이면 텍스트 파일 _-

FILE FORMAT

• 확장자로 파일을 구분하는 것은 „사람‟을
위한 것
• 누가 야동 파일 확장자를 avi에서 hwp로
바꿔 놓으면 어떻게 암?
• 군대에서 영창 갈 뻔…
• 리눅스/유닉스에서는 (주로 알려진) 파일
포맷을 검사하는 file이란 툴 존재

* JAVA에서
바이너리 데이터
읽기

• 파일이든 네트웍이든 DataInputStream
쓰면 다 된다 -_• 예
• readShort() : 2바이트 읽어서
short로 리턴해 줌
• readInt() : 4바이트 읽어서 int로
리턴해 줌

ASSEMBLY

• 컴퓨터는 기계어를 이해한다.
• 기계어를 처리하는 것은 CPU다.
• CPU는(32비트 기준) 극단적으로 말해
스위치 32개를 가진 회로이다.
• 즉 이 32개의 스위치 -> 32개의
비트(4바이트)를 어떤 방식으로 켜고
끄느냐에 따라 CPU가 하는 일이
달라진다.

ASSEMBLY

• 즉 CPU는 순서대로 들어오는 기계어
명령을 곧이 곧대로 처리할 뿐, 변수니
함수니 메써드니 클래스니 하는 개념
따위는 전혀 없다.
• 예 : 2+3을 실행하면 컴퓨터는 다음과
같이 처리함
1. Stack에 2 저장.
2. Stack에 3 저장.
3. Stack에서 숫자 두 개 빼서 더한 후
결과를 다시 stack에 저장
4. Stack에서 pop -> 결과는 5

BYTECODE

• JVM Bytecode도 실행 원리는
어셈블리와 동일.
• Bytecode와 stack과 „정해진 갯수‟의 임시
변수만 갖고 모두 처리
• 우리가 쓰는 Java Code는 „사람이 보기
편한‟ 형태일 뿐. 사실은 한 마디로
말해서 C든 Java든 죄다 컴퓨터가 이해
못하는 언어임.

WHY
BYTECODE?

• (복잡해 보이겠지만) 구현이 간단함.
• CPU가 처리하는 어셈블리 코드랑
형태가 비슷
• 계산기를 프로그래밍한다고 생각해
보면 ,
• 예 : 3+4*2-1
• 한 번에 계산식을 읽으면서
중간중간 계산 해서 최종 결과를
내는 방식도 있겠지만
• 계산식이 복잡해질 수록
• 4*2 -> (a)
• 3 + (a) -> (b)
• (b) – 1
• 이런 식으로 작은 수식으로
분해(혹은 트리구조 분해)해서
각각의 계산을 처리하는 방식이
훨씬 용이
• 처음 식이 Java code라면 작은
수식들이 바이트코드인 셈

COMPILE?

• Source code를 기계어 파일 –
실행파일이나 라이브러리로 번역하는
과정
• 컴파일의 과정
• Tokenizing
• Syntax parsing
• Optimization
• Code Generation

TOKENIZING

• 언어에 정의된 각각의 토큰을 체크하는
과정
• if ( a >= 1) continue;
->
• IF, LP, STR, GTR, NUM, RP, CONTINUE,
SEMICOL

PARSING

• 각 토큰들이 문법에 맞게 제대로
배치되었는지 확인
• IF, LP, STR, GTR, NUM, RP, CONTINUE,
SEMICOL
• 예)
• if 다음엔 반드시 왼쪽 괄호가 오므로
LP가 아닌 경우 에러
• >= 다음엔 숫자 외에도 변수, 메써드
등이 올 수 있으므로 NUM이 아닌
경우에도 무조건 에러가 나오진
않음. 하지만 바로 오른쪽 괄호가
온다면 에러

OPTIMIZATION

• 말 그대로 코드 최적화
• 예)
• For문 100만번 도는데 안에 a=1
밖에 없다. -> for문 삭제
• If (a > 0 && a > 1) -> 왼쪽 조건 삭제
• 이런 것들은 SQL 실행시에 DBMS에서도
수행함

• 사람보다 낫다 -_-

Magic number(4)
OVERALL
FORMAT

Minor version(2)
Major version(2)

Constant pool
Access flags(2)
This class(2)
Super class(2)
Interface information
Field information
Method information
Attributes
• (n) = n bytes
• 숫자가 없는 필드들은 사이즈
가변적, 즉 실제 코드와 비례해서
많아지는 데이터들

HEADER

• Magic Number : class 파일임을
나타내는 특정 숫자. 무조건
0xCAFEBABE의 값을 가짐.
• Major, Minor version : 클래스 파일 포맷
버전.
• Constant pool : 문자열 상수 및 클래스
이름, 메써드 이름 등의 정보를 가짐.
• Access flags : 클래스 접근 권한
• This class, super class : 현재 클래스와
부모 클래스 이름 및 정보. Constant
pool의 인덱스 번호임

ACCESS
FLAGS

값

의미

0x0001

public

0x0010

final

0x0020

super

0x0200

interface

0x0400

abstract

• 예
•
->
->
->

1025
0x0401
0x0400 | 0x0001
public abstract class

JAVA TYPE
SIGNITURE

Signature

Type

B

byte

C

char

D

double

F

float

I

int

J

long

L<class name>;

class

S

short

Z

boolean

[

array

Method의 타입을 표현할 때 이 signature를
써서 „(인자들)리턴형‟ 형태로 사용함

SIGNATURE
EXAMPLE

double divide(int i, int j)
-> (II)D

Object mymethod(int i, double d, Thread t)
->
(IDLjava/lang/Thread;)Ljava/lang/Object;

전체 POOL 구성
CONSTANT
POOL

Constant Pool Count(2)
Constant Info #1

Constant Info #2
…
Constant Info #n

각 Constant Info 구성
tag(1)
(constant type 표시)
data
(tag에 따라 사이즈 다름)

CONSTANT
TAG

Type

Value

CONSTANT_Class

7

CONSTANT_Fieldref

9

CONSTANT_Methodref

10

CONSTANT_InterfaceMethodref

11

CONSTANT_String

8

CONSTANT_Integer

3

CONSTANT_Float

4

CONSTANT_Long

5

CONSTANT_Double

6

CONSTANT_NameAndType

12

CONSTANT_Utf8

1

각각의 자세한 정보는 JVM specification
참고

• 하지만 그냥 넘어가면 서운하니 몇
가지만…
CONSTANT
INFO

CONSTANT_Methodref_Info
tag(1)
class index(2) -> CP
Name and type index(2) -> CP
CONSTANT_Class_Info
tag(1)
name index(2) -> CP
CONSTANT_Utf8_Info
tag(1)
length(2)
Utf8 string (length)

index tag

CONSTANT
INFO
EXAMPLE

Index1
(or value)

index2

#1
#2

1

my/test/Test

#22

1

(II)I

#35

10

1

36

#36

12

37

22

#37

시작 >

7

1

1) #35의 tag 10은 MethodRef 이며
1은 Class 인덱스, 36은 Name and
Type의 인덱스
2) #1의 tag는 ClassInfo이며 index
2값은 클래스 이름을 가리킴
3) #36은NameAndType이며 이름
인덱스가 37, 타입 인덱스가 22.

2

add
4) #37은 „add‟이며 #22는 „(II)I‟
5) 그러므로 #35가 가리키는
메써드는 my.test.Test 클래스에
속한 int add(int i1, int i2) 임을 알
수 있음.
* 파라미터의 변수 이름은 현재
단계에서는 알 수 없으나 클래스
파일의 메써드 정보에서 Local
Variables 정보로 확인 가능

CONSTANT
IFNO

• 복잡해 보이지만 파일 사이즈를
줄이려면 최대한 중복을 줄여야 하니
어쩔 수 없음.
• Database 설계 및 사용시 중복 데이터를
줄이기 위해 정규화를 하고 각종
테이블로 나눠놓고 또 복잡하게 foreign
key 참조해서 join해서 불러다 쓰고 하는
걸 경험해 본 분들도 계실텐데 결국 같은
사상을 깔고 있는 것임.

THIS CLASS,
SUPER CLASS

• 각 2바이트를 차지하는 것에서 유추
가능하듯, 이 부분은 따로 정보를 갖고
있는게 아니라 각각 Constant Info의 해당
Class Info 번호를 가리킴

INTERFACE
INFO

Interface Count(2)
Interface Info #1 (2)

Interface Info #2 (2)
…
Interface Info #n (2)

• 이 클래스가 구현하는 인터페이스
정보들
• 첫번째 2바이트는 인터페이스 갯수를
의미하며, count 수만큼 각 2바이트의
인터페이스 정보를 가리키는 constant
pool 인덱스가 있다.
• 즉, this class, super class와 같은 방식.

Field Info 전체 구성
FIELD INFO

Field Count(2)
Field Info #1
Field Info #2
…
Field Info #n
각 Field Info 구성

• 클래스가 갖고 있는 필드 –
인스턴트 변수 및 클래스
변수- 에 대한 정보.

Access flags(2)
Name index(2) -> CP
Descriptor index(2) -> CP
Attribute count(2)
Attributes[count]

ACCESS
FLAGS

값

의미

0x0001

public

0x0002

private

0x0004

protected

0x0008

static

0x0010

final

0x0040

volatile

0x0080

transient

• 예
•
->
->
->

25
0x0019
0x0010 | 0x0008 | 0x0001
public static final 변수

Method Info 전체 구성
METHOD INFO

Method Count(2)
Method Info #1
Method Info #2
…
Method Info #n
각 Method Info 구성

• 클래스가 갖고 있는
인스턴트 메써드 및
클래스 메써드에 대한
정보.
• 필드 정보와 구성 동일

Access flags(2)
Name index(2) -> CP
Descriptor index(2) -> CP
Attribute count(2)
Attributes[count]

ACCESS
FLAGS

값

의미

0x0001

public

0x0002

private

0x0004

protected

0x0008

static

0x0010

final

0x0020

synchronized

0x0100

native

0x0400

abstract

0x0800

strictfp

ATTRIBUTE

• 클래스, 메써드, 필드의 기본
정보(접근 권한, 타입 등) 이외에
추가적인 속성에 대한 정보가
기록됨

• 속성이 속성을 또 가질 수 있음.
• 속성이란 단어를 쓰지만 필수적인
정보들도 있음
- 예를 들어 메써드 같은 경우는
Code란 속성이 필수적이며
Code는 LineNumberTable,
LocalVariableTable에 대한
속성이 있음.

Attribute Name Index (2)
Attribute Length (4)
ATTRIBUTE

Attribute Data
Attribute Name에 따라 Data
구성은 다름

종류(Name)

의미

ConstantValue

상수값

Code

메써드의 바이트코드

Exceptions

예외들

InnerClasses

내부 클래스

Synthetic
SourceFile

소스 파일 정보

LineNumberTable

바이트 코드와
매칭되는 실제 소스
코드 라인번호

LocalVariableTable

지역변수 정보

Deprecated

Name index(2)
CODE
ATTRIBUTE

Attribute Length(4)
Max Stack(2)

Max Local(2)
Code Length(4)
Code
Exception Table
Attributes

Method Info
Access flags : public
Name : minus

METHOD
DECOMPILE
EXAMPLE

Type : (II)I

Max stack : 2
Max local : 3
Code:
0x1B
0x1C
0x64
0xAC

LineNumberTable
Start
PC

Line

0

7

LocalVariableTable
Start
PC

Length Name

Type

Index

0

4

this

Lmy/test/Test;

0

0

4

a

I

1

0

4

b

I

2

METHOD
DECOMPILE
EXAMPLE
(CODE 설명)

• 0x1B (iload_1)
-> local 변수 1을 스택에 로드
• 0x1C (iload_2)
-> local 변수 2를 스택에 로드
• 0x64 (isub)
-> stack에서 두 개의 아이템을 꺼내
뺄셈하고 결과를 다시 stack에 넣음
• 0xAC (ireturn)
-> stack의 아이템을 메써드 결과값으로
리턴

METHOD
DECOMPILE
EXAMPLE
#1

a

STACK

• 0x1B (iload_1)
-> local 변수 1을 스택에 로드
변수 1은 LocalVariableTable에 따라 int a

METHOD
DECOMPILE
EXAMPLE
#2

b
a

STACK

• 0x1C (iload_2)
-> local 변수 2를 스택에 로드
변수 2는 LocalVariableTable에 따라 int b

METHOD
DECOMPILE
EXAMPLE

• 0x64 (isub)
-> stack에서 두 개의 아이템을 꺼내
뺄셈하고 결과를 다시 stack에 넣음

#3

a-b
b
a

STACK

METHOD
DECOMPILE
EXAMPLE

• 0xAC (ireturn)
-> stack의 아이템을 메써드 결과값으로
리턴

#4

return
a-b

STACK

METHOD
DECOMPILE
EXAMPLE
#5

• 메써드 정보에서 이 메써드의 이름이나
타입을 모두 알 수 있음.
• 메써드 signature와
LocalVariableTable를 비교해서 인자
변수 이름도 모두 파악 가능
• LineNumberTable과 대조해 보면 한
줄짜리 메써드라는 것이 파악됨.
결과) my.test.Test 클래스 안의 7번째
라인의 minus 메써드.
public int minus(int a, int b) { return a-b;}

REFERENCES

• Java VM spec : http://goo.gl/52JCW
• Wikipedia Bytecode Instruction :
http://goo.gl/pncN9
• Demo Code :
https://code.google.com/p/javaseminar/

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