掌握Java字节码

嘿! Happy Advent：D我是ZeroTurnaround的技术布道者Simon Maple（ @sjmaple）。您知道， JRebel伙计们！由于编写了类似于JRebel的产品，该产品与字节码进行交互的结果比您想像的更多，因此，我们希望与他人分享很多有关它的知识。

让我们从头开始……Java是一种旨在在虚拟机上运行的语言，因此只需要编译一次就可以在任何地方运行（是的，是的，一次编写，可以在任何地方进行测试）。结果，您安装到系统上的JVM将是本机的，从而允许在其上运行的代码与平台无关。 Java字节码是您作为源编写的Java代码的中间表示，并且是编译代码的结果。因此，您的类文件是字节码。

更简洁地说，Java字节码是Java虚拟机使用的代码集，该代码集在运行时被JIT编译为本机代码。

您曾经玩过汇编程序或机器代码吗？从某种意义上说，字节码有点类似，但是行业内很多人并没有那么多地使用它，更多是出于缺乏必要性。但是，了解正在发生的事情非常重要，如果您想让酒吧里的某个人望而却步，这很有用。

首先，让我们看一些字节码基础知识。我们将首先使用表达式“ 1 + 2”，并查看如何将其作为Java字节码执行。 1 + 2可以用反向波兰语表示为1 2 +。为什么？好吧，当我们将其放在堆栈上时，一切都变得清晰了……

好的，在字节码中，我们实际上会看到操作码（iconst_1和iconst_2）和一条指令（iadd），而不是推和加，但流程是相同的。实际指令的长度为一个字节，因此为字节码。结果有256种可能的操作码，但仅使用了200种左右。操作码的前缀是类型，后跟操作名称。因此，我们之前在iconst和iadd上看到的是整数类型的常量和整数类型的加法指令。

这一切都很好，但是如何读取类文件。通常，在打开的类文件中，通常在选择的编辑器中看到的只是一堆笑脸以及一些正方形，圆点和其他奇怪的字符，对吗？答案是在Javap中，这是您随JDK实际获得的代码实用程序。让我们看一个代码示例，看看运行中的javap。

public class Main {public static void main(String[] args){MovingAverage app = new MovingAverage();}}

将此类编译为Main.class文件后，我们可以使用以下命令提取字节码：javap -c Main

Compiled from "Main.java"public class algo.Main {public algo.Main();Code:0: aload_01: invokespecial #14: return
// Method java/lang/Object."<init>":()V
public static void main(java.lang.String[]);Code:0: new           #23: dup4: invokespecial #37: astore_18: return 
}

我们可以立即在字节码中看到我们的默认构造函数和main方法。顺便说一下，这就是Java为无构造函数的类提供默认构造函数的方式！构造函数中的字节码只是对super（）的调用，而我们的main方法创建了MovingAverage的新实例并返回。 #n字符实际上是指可以使用-verbose参数查看的常量，如下所示：javap -c -verbose Main。返回内容的有趣部分如下所示：

public class algo.MainSourceFile: "Main.java"minor version: 0major version: 51flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPERConstant pool:#1 = Methodref    #5.#21         //  java/lang/Object."<init>":()V#2 = Class        #22            //  algo/MovingAverage#3 = Methodref    #2.#21         //  algo/MovingAverage."<init>":()V#4 = Class        #23            //  algo/Main#5 = Class        #24            //  java/lang/Object

现在，我们可以将指令与常量进行匹配，并且可以将实际发生的事情拼凑起来要容易得多。关于上面的示例，您还有什么困扰吗？没有？那每条指令前面的数字呢？

0: new           #23: dup4: invokespecial #37: astore_18: return

现在真的很烦你，对吧？ :)如果将这个方法体可视化为数组，这就是我们得到的：

请注意，每条指令都有一个十六进制表示，因此使用它我们实际上会看到以下内容：

如果在十六进制编辑器中打开它，我们实际上可以在类文件中看到它：

实际上，我们可以在HEX编辑器中更改字节码，但是老实说，这不是您真正想做的事情，尤其是在强制性酒吧旅行之后的星期五下午。更好的方法是使用ASM或javassist。

让我们从基本示例继续，添加一些存储状态并直接与堆栈交互的局部变量。查看以下代码：

public static void main(String[] args) {MovingAverage ma = new MovingAverage();int num1 = 1;int num2 = 2;ma.submit(num1);ma.submit(num2);double avg = ma.getAvg();}

让我们看看这次在字节码中得到了什么：

Code: 0: new  #2    // class algo/MovingAverage3: dup4: invokespecial #3  // Method algo/MovingAverage."<init>":()V7: astore_18: iconst_19: istore_210: iconst_211: istore_312: aload_113: iload_214: i2d15: invokevirtual #4        // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V18: aload_119: iload_320: i2d21: invokevirtual #4        // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V24: aload_125: invokevirtual #5        // Method algo/MovingAverage.getAvg:()D28: dstore     4LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0       31         0    args   [Ljava/lang/String;8       23        1      ma     Lalgo/MovingAverage;10      21         2     num1   I12       19         3      num2   I30       1        4    avg     D

这看起来更加有趣……我们可以看到，我们创建了一个类型为MovingAverage的对象，该对象通过astore_1指令（1是LocalVariableTable中的插槽号）存储在本地变量ma中。指令iconst_1和iconst_2在那里将常数1和2加载到堆栈中，并分别通过指令istore_2和istore_3将它们存储在LocalVariableTable插槽2和3中。一条加载指令将一个局部变量压入堆栈，一条存储指令从堆栈中弹出下一项并将其存储在LocalVariableTable中。重要的是要认识到，当使用存储指令时，该项目将从堆栈中取出，如果要再次使用它，则需要加载它。

执行流程如何？我们所看到的只是从一行到下一行的简单进展。我希望看到一些BASIC风格的GOTO 10混在一起！让我们再举一个例子：

MovingAverage ma = new MovingAverage();for (int number : numbers) {ma.submit(number);}

在这种情况下，当我们遍历for循环时，执行流程将跳很多次。假定数字变量是同一类中的静态字段，则此字节码如下所示：

0: new #2 // class algo/MovingAverage3: dup4: invokespecial #3 // Method algo/MovingAverage."<init>":()V7: astore_18: getstatic #4 // Field numbers:[I11: astore_212: aload_213: arraylength14: istore_315: iconst_016: istore 418: iload 420: iload_321: if_icmpge 4324: aload_225: iload 427: iaload28: istore 530: aload_131: iload 533: i2d34: invokevirtual #5 // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V37: iinc 4, 140: goto 1843: returnLocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature30       7         5    number I 12       31        2    arr$     [I15       28        3    len     $I 18       25         4     i$      I0       49         0     args  [Ljava/lang/String;8       41         1    ma     Lalgo/MovingAverage; 48      1         2    avg    D

从位置8到17的指令用于设置循环。 SourceVariable表中有三个在源代码中并未真正提及的变量arr $，len $和i $。这些是循环变量。 arr $存储number字段的参考值，从中得出循环长度len $。 i $是循环计数器，由iinc指令递增。

首先，我们需要测试我们的循环表达式，该表达式由比较指令执行：

18: iload 420: iload_321: if_icmpge 43

我们将4和4加载到堆栈上，分别是循环计数器和循环长度。我们正在检查ID i $大于或等于len $。如果是，则跳至语句43，否则继续进行。然后，我们可以在循环中执行逻辑，最后，我们增加计数器并跳回到检查语句18的循环条件的代码。

37: iinc       4, 1       // increment i$40: goto       18         // jump back to the beginning of the loop

可以在字节码中使用一堆算术操作码和类型命令组合，包括以下内容：

以及许多类型转换操作码，这些类型转换操作码在为long类型的变量分配一个整数时很重要。

在我们的珍贵示例中，我们将一个整数传递给一个采用双精度值的submit方法。 Java语法为我们完成了此操作，但是在字节码中，您将看到使用了i2d操作码：

31: iload 533: i2d 34: invokevirtual #5 // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V

因此，您已经做到了这一点。做得好，您已经喝咖啡了！了解这些内容是否真的有用还是仅仅是怪胎？好吧，两者都有！首先，您现在可以告诉您的朋友，您是可以处理字节码的JVM，其次，您可以更好地了解编写字节码时的操作。例如，使用ObjectWeb ASM（这是使用最广泛的字节码操作工具之一）时，您会发现自己正在构造指令，并且这些知识将证明是无价的！

如果您发现这有趣并且想了解更多，请查看ZeroTurnaround的JRebel产品负责人Anton Arhipov的免费Mastering Java Bytecode报告。（JRebel使用javassist，我们学习了很多有趣的东西，并且可以与Java字节码进行交互！）该报告更深入地介绍了如何使用ASM。

谢谢阅读！让我知道你的想法！（ @sjmaple ）

参考：在Java Advent Calendar博客上，从我们的JCG合作伙伴 Attila Mihaly Balazs 掌握Java字节码。