JVM Class File 포맷 완전 해부 — PALDYN 기술블로그

지난 글에서 JVM 바이트코드 명령어들을 살펴봤다. 이번에는 그 명령어들이 실제로 어떤 바이너리 파일 안에 담기는지, 즉 .class 파일의 내부 구조를 해부한다. .class 파일은 플랫폼 독립적인 Java의 핵심 산출물이며, JVM이 클래스를 로드할 때 가장 먼저 읽는 파일이다.

.class 파일이란

javac가 .java 소스를 컴파일하면 각 클래스(또는 내부 클래스)마다 하나의 .class 파일이 생성된다. 이 파일은 JVM 명세(Java Virtual Machine Specification)가 정의하는 엄격한 바이너리 포맷을 따른다. OS나 CPU 아키텍처에 무관하게 동일한 포맷이므로 “Write Once, Run Anywhere”가 가능하다.

파일의 모든 데이터는 빅 엔디언(big-endian) 으로 저장된다. 명세에서 u1, u2, u4는 각각 1·2·4 바이트 부호 없는 정수를 뜻한다.

ClassFile 전체 구조

JVM .class 파일 구조

JVM 명세는 ClassFile 구조체를 다음과 같이 정의한다.

ClassFile {
  u4             magic;
  u2             minor_version;
  u2             major_version;
  u2             constant_pool_count;
  cp_info        constant_pool[constant_pool_count - 1];
  u2             access_flags;
  u2             this_class;
  u2             super_class;
  u2             interfaces_count;
  u2             interfaces[interfaces_count];
  u2             fields_count;
  field_info     fields[fields_count];
  u2             methods_count;
  method_info    methods[methods_count];
  u2             attributes_count;
  attribute_info attributes[attributes_count];
}

위 순서는 고정이며, JVM 클래스 로더는 이 순서 그대로 바이트를 읽는다.

Magic Number — 0xCAFEBABE

파일의 첫 4바이트는 항상 0xCAFEBABE다. JVM은 이 값을 먼저 확인해 유효한 .class 파일인지 판별한다. 값이 다르면 즉시 ClassFormatError를 던진다.

이름은 Java 탄생 전 Sun의 개발자들이 사용하던 내부 식당 이름 “Café Dead”에서 유래했다는 설이 있다.

버전 정보

minor_version과 major_version 조합이 컴파일에 사용된 Java 릴리즈를 식별한다. 주요 매핑은 다음과 같다.

Java 버전	major_version
Java 8	52
Java 11	55
Java 17	61
Java 21	65

JVM은 자신이 지원하는 버전보다 높은 major_version의 클래스를 로드하면 UnsupportedClassVersionError를 발생시킨다. 이 에러는 현장에서 자주 마주치는 버전 불일치 문제의 근본 원인이다.

상수 풀 (Constant Pool)

상수 풀은 .class 파일에서 가장 중요한 섹션이다. 클래스 안에서 사용되는 모든 문자열 리터럴, 클래스 이름, 필드 이름, 메서드 이름, 타입 디스크립터를 테이블 형태로 저장한다.

constant_pool_count 값이 N이면 실제 엔트리는 #1부터 #(N-1)까지다(#0은 사용하지 않는다). 각 엔트리는 1바이트 tag로 시작해 타입을 나타내고, 타입에 따라 뒤따르는 데이터 구조가 달라진다.

주요 태그:

tag	명칭	설명
1	`Utf8`	문자열 데이터
7	`Class`	클래스/인터페이스 참조
8	`String`	문자열 리터럴
9	`Fieldref`	필드 참조
10	`Methodref`	메서드 참조
11	`InterfaceMethodref`	인터페이스 메서드 참조
12	`NameAndType`	이름 + 타입 디스크립터

바이트코드 명령어에서 #5처럼 인덱스로 참조하기 때문에 상수 풀은 전체 클래스의 심볼 색인(symbol table) 역할을 한다.

Access Flags

2바이트로 구성되며, 비트 마스크로 클래스의 접근 수정자를 나타낸다.

플래그	값	의미
`ACC_PUBLIC`	0x0001	public 클래스
`ACC_FINAL`	0x0010	상속 불가
`ACC_SUPER`	0x0020	`invokespecial` 의미 변경 (항상 설정)
`ACC_INTERFACE`	0x0200	인터페이스
`ACC_ABSTRACT`	0x0400	추상 클래스
`ACC_ENUM`	0x4000	enum
`ACC_ANNOTATION`	0x2000	어노테이션

일반 public class는 ACC_PUBLIC | ACC_SUPER = 0x0021이 된다.

this_class / super_class / interfaces

this_class와 super_class는 상수 풀 내 Class 엔트리에 대한 인덱스(u2)다. Object의 super_class는 0으로 표현한다.

interfaces 배열에는 구현한 인터페이스들의 상수 풀 인덱스가 순서대로 나열된다.

Fields & Methods

fields와 methods 테이블은 각각 field_info, method_info 구조체의 배열이다. 두 구조체 모두 access_flags, name_index, descriptor_index, attributes_count, attributes를 포함한다.

메서드의 실제 바이트코드는 method_info 안의 Code 어트리뷰트 안에 들어간다. Code는 다음을 담는다.

max_stack — 연산 스택의 최대 깊이
max_locals — 지역 변수 슬롯 수 (파라미터 포함)
code — 바이트코드 명령어 배열
exception_table — try-catch 범위 테이블
attributes — LineNumberTable, LocalVariableTable 등

Attributes

어트리뷰트는 구조체 전반(ClassFile, field_info, method_info, Code)에 붙을 수 있는 확장 메커니즘이다. 주목할 만한 어트리뷰트들은 다음과 같다.

SourceFile         — 원본 .java 파일 이름
InnerClasses       — 내부 클래스 정보
Signature          — 제네릭 타입 정보 (타입 소거 후 보존)
RuntimeVisibleAnnotations — 런타임 반영 가능한 어노테이션
BootstrapMethods   — invokedynamic 부트스트랩 메서드 목록
NestHost / NestMembers — Java 11+ 네스트 접근 제어

Java 버전이 올라갈수록 새 어트리뷰트가 추가되지만, 모르는 어트리뷰트는 JVM이 무시하므로 하위 호환성을 유지한다.

javap로 직접 확인하기

javap는 JDK에 포함된 역어셈블러다. -v 플래그로 상수 풀과 바이트코드를 포함한 전체 정보를 볼 수 있다.

javac Hello.java
javap -v Hello.class

javap -v로 읽는 .class 파일

출력의 구조를 요약하면 다음과 같다.

// javap -v Hello.class (발췌)
  major version: 65
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

Constant pool:
   #1 = Methodref  #2.#3
   #7 = String     #8       // "Hello, World!"
  ...

public static void main(java.lang.String[]):
  Code:
     0: getstatic    #4   // Field java/io/PrintStream.out
     3: ldc          #7   // "Hello, World!"
     5: invokevirtual #5  // println
     8: return

getstatic, ldc, invokevirtual, return 네 개의 명령어가 출력 한 줄을 담당하는 것을 확인할 수 있다.

헥스 덤프로 매직 넘버 확인

바이너리 파일 수준에서 직접 확인하면 명세가 더 명확해진다.

# macOS / Linux
xxd Hello.class | head -4

00000000: cafe babe 0000 0041 005a 0a00 0200 03...
          ^^^^ ^^^^ ---- ---- ^^^^
          magic       major=65(Java21) cp_count=90

정리

.class 파일은 JVM이 약속한 엄격한 바이너리 계약서다. 매직 넘버로 시작해 버전 → 상수 풀 → 접근 플래그 → 클래스 계층 → 필드 → 메서드 → 어트리뷰트 순으로 정보가 배치되며, 이 구조를 이해하면 클래스 로딩 오류 진단, 바이트코드 조작 라이브러리(ASM, ByteBuddy), 리플렉션 동작 원리까지 훨씬 깊이 있게 파악할 수 있다.

지난 글: JVM 바이트코드 명령어

다음 글: Hello, Java World — 첫 번째 Java 프로그램

읽어주셔서 감사합니다. 😊