Chapter 4. The class File Format

---

Chương 4 của Java Virtual Machine Specification (JVM Spec) SE 21 mô tả định dạng của file .class, hay còn gọi là Class File Format. Đây là định dạng mà mã Java được biên dịch thành trước khi JVM thực thi.

🔹 1. Tổng quan về Class File Format

Một file .class chứa bytecode, là tập hợp các lệnh được JVM hiểu và thực thi. File này có cấu trúc nhị phân, không thể đọc trực tiếp như mã Java.

Mọi file .class đều có cấu trúc theo thứ tự sau:

Thành phần	Kích thước	Chức năng
Magic Number	4 byte	Xác định đây là file .class hợp lệ
Version	4 byte	Phiên bản của JVM hỗ trợ file này
Constant Pool	Biến đổi	Bảng hằng số chứa thông tin tên, kiểu, giá trị, v.v.
Access Flags	2 byte	Quyền truy cập của class (public, final, abstract, v.v.)
This Class	2 byte	Chỉ mục của class hiện tại trong constant pool
Super Class	2 byte	Chỉ mục của class cha trong constant pool
Interfaces	Biến đổi	Danh sách các interface mà class này implement
Fields	Biến đổi	Danh sách các thuộc tính (fields) của class
Methods	Biến đổi	Danh sách các phương thức (methods) của class
Attributes	Biến đổi	Các thông tin bổ sung như annotations, generic, v.v.

🔹 2. Chi tiết từng thành phần

🟢 Magic Number

• Mỗi file .class bắt đầu bằng 4 byte cố định có giá trị 0xCAFEBABE.

• Mục đích: Giúp JVM nhận diện đây là file .class hợp lệ.

• Nếu file không bắt đầu bằng CAFEBABE, JVM sẽ báo lỗi.

📌 Ví dụ (hexadecimal format của file .class):

CA FE BA BE 00 00 00 37 ...

(00 37 là phiên bản của JVM – tương đương Java 21)

🟢 Version (Major & Minor Version)

• 4 byte tiếp theo xác định phiên bản của JVM có thể chạy file này.

• Minor version (2 byte) + Major version (2 byte).

• Major version của các phiên bản Java thông dụng:

Java Version	Major Version
Java 8	52
Java 11	55
Java 17	61
Java 21	65

📌 Ví dụ: 00 00 00 37 (0x0037 = 55) → file này được biên dịch bằng Java 21. (45->65)

🟢 Constant Pool

• Đây là phần lớn nhất trong file .class, chứa hằng số (tên class, tên method, chuỗi, số nguyên, v.v.).

• Dữ liệu được lưu theo index (chỉ mục), các thành phần khác trong file .class sẽ tham chiếu đến đây.

• Có nhiều loại entry, mỗi loại có 1 byte tag đầu tiên để phân loại.

📌 Ví dụ các entry trong constant pool:

CONSTANT_Class      # Tên class
CONSTANT_Fieldref   # Tham chiếu field
CONSTANT_Methodref  # Tham chiếu method
CONSTANT_String     # Lưu chuỗi
CONSTANT_Integer    # Lưu số nguyên

🔥 Ví dụ minh họa Giả sử chúng ta có class:

public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello, JVM!");
    }
}

📌 Một phần constant pool của file .class sẽ trông như thế này:

#1 = Class          #2         // Hello
#2 = Utf8           Hello
#3 = Methodref      #4.#5      // System.out.println
#4 = Class          #6         // java/lang/System
#5 = NameAndType    #7:#8      // println:(Ljava/lang/String;)V
#6 = Utf8           java/lang/System
#7 = Utf8           println
#8 = Utf8           (Ljava/lang/String;)V

• #1 là class Hello

• #3 là method System.out.println

• #8 là kiểu dữ liệu void (String)

🟢 Access Flags

• 2 byte xác định modifier của class:

  • 0x0001 → public

  • 0x0010 → final

  • 0x0020 → super (sử dụng invokespecial cho super class)

  • 0x0200 → interface

  • 0x0400 → abstract

  • 0x1000 → synthetic (được tạo bởi trình biên dịch) 📌 Ví dụ:

Access Flags: 0x0021 (public, super)

Nghĩa là class này có public và super.

🟢 This Class & Super Class

• This Class (2 byte): Chỉ mục của class hiện tại trong constant pool.

• Super Class (2 byte): Chỉ mục của class cha trong constant pool (Object nếu không kế thừa gì).

📌 Ví dụ:

This Class: #1 (Hello)
Super Class: #2 (java/lang/Object)

🟢 Interfaces

• Nếu class implement interface, danh sách các interface được lưu ở đây.

📌 Ví dụ:

public class MyClass implements Runnable {
    @Override
    public void run() {}
}

📌 Trong file .class:

Interfaces: 1
Interface[0]: #3 (java/lang/Runnable)

🟢 Fields

• Danh sách các thuộc tính (biến instance/static).

• Mỗi field có:

  • Access flags (private, public, static, final)

  • Name index (trỏ vào constant pool)

  • Descriptor index (kiểu dữ liệu)

  • Attribute list (annotations, generic, v.v.) 📌 Ví dụ:

private int count;

Trong file .class:

Field:
  Name: #5 (count)
  Descriptor: #6 (I)  // I = int
  Flags: 0x0002 (private)

🟢 Methods

• Danh sách các phương thức (methods).

• Cấu trúc tương tự như fields nhưng có thêm bytecode trong phần Attributes.

📌 Ví dụ:

public void print() { System.out.println("Hello"); }

Trong file .class:

Method:
  Name: #9 (print)
  Descriptor: #10 ()V  // ()V = void print()
  Flags: 0x0001 (public)
  Code:
    aload_0
    invokevirtual #11 (java/lang/System.out.println)
    return

🟢 Attributes

• Chứa thông tin bổ sung:

  • Code (chứa bytecode)

  • LineNumberTable (map giữa dòng code Java và bytecode)

  • SourceFile (tên file .java)

  • Annotations, Generic, v.v.

🔥 Kết luận

File .class chứa bytecode, và JVM đọc nó theo cấu trúc cụ thể. Hiểu Class File Format giúp bạn:

• Debug lỗi class loading.

• Viết trình phân tích file .class.

• Hiểu cách JVM thực thi Java.