Java Bytecode

Jianghao7172

1，什么是Bytecode

C/C++编译器把源代码编译成汇编代码，Java编译器把Java源代码编译成字节码bytecode。

Java跨平台其实就是基于相同的bytecode规范做不同平台的虚拟机，我们的Java程序编译成bytecode后就可以在不同平台跑了。

.net框架有IL(intermediate language)，汇编是C/C++程序的中间表达方式，而bytecode可以说是Java平台的中间语言。

了解Java字节码知识对debugging、performance tuning以及做一些高级语言扩展或框架很有帮助。

2，使用javap生成Bytecode

JDK自带的javap.exe文件可以反汇编Bytecode，让我们看个例子:

Test.java:

1. public class Test {
   
2. public static void main(String[] args) {
   
3. int i = 10000;
   
4. System.out.println("Hello Bytecode! Number = " + i);
   
5. }
   
6. }

复制代码

编译后的Test.class:

1. 漱壕 1 +
   
2. 
   
3. ()V Code LineNumberTable main ([Ljava/lang/String;)V
   
4. SourceFile Test.java
   
5. ! " java/lang/StringBuilder Hello Bytecode! Number = # $ # % & ' ( ) * Test java/lang/Object java/lang/System out Ljava/io/PrintStream; append -(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; (I)Ljava/lang/StringBuilder; toString ()Ljava/lang/String; java/io/PrintStream println (Ljava/lang/String;)V !
   
6. 
   
7. * > ' < Y

复制代码

使用javap -c Test > Test.bytecode生成的Test.bytecode:

1. Compiled from "Test.java"
   
2. public class Test extends java.lang.Object{
   
3. public Test();
   
4. Code:
   
5. 0: aload_0
   
6. 1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."":()V
   
7. 4: return
   
8. 
   
9. public static void main(java.lang.String[]);
   
10. Code:
    
11. 0: sipush 10000
    
12. 3: istore_1
    
13. 4: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
    
14. 7: new #3; //class java/lang/StringBuilder
    
15. 10: dup
    
16. 11: invokespecial #4; //Method java/lang/StringBuilder."":()V
    
17. 14: ldc #5; //String Hello Bytecode! Number =
    
18. 16: invokevirtual #6; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
    
19. 19: iload_1
    
20. 20: invokevirtual #7; //Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
    
21. 23: invokevirtual #8; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
    
22. 26: invokevirtual #9; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
    
23. 29: return
    
24. 
    
25. }

复制代码

JVM就是一个基于stack的机器，每个thread拥有一个存储着一些frames的JVM stack，每次调用一个方法时生成一个frame。

一个frame包括一个local variables数组(本地变量表)，一个Operand LIFO stack和运行时常量池的一个引用。

我们来简单分析一下生成的字节码指令:

aload和iload指令的“a”前缀和“i”分别表示对象引用和int类型，其他还有“b”表示byte，“c”表示char，“d”表示double等等

我们这里的aload_0表示将把local variable table中index 0的值push到Operand stack，iload_1类似

invokespecial表示初始化对象，return表示返回

sipush表示把10000这个int值push到Operand stack

getstatic表示取静态域

invokevirtual表示调用一些实例方法

这些指令又称为opcode，Java一直以来只有约202個Opcode，具体请参考java Bytecode规范。

我们看到Test.class文件不全是二进制的指令，有些是我们可以识别的字符，这是因为有些包名、类名和常量字符串没有编译成二进制Bytecode指令。

3，体验字节码增强的魔力

我们J2EE常用的hibernate、spring都用到了动态字节码修改来改变类的行为。

让我们通过看看ASM的org.objectweb.asm.MethodWriter类的部分方法来理解ASM是如何修改字节码的:

1. class MethodWriter implements MethodVisitor {
   
2. 
   
3. private ByteVector code = new ByteVector();
   
4. 
   
5. public void visitIntInsn(final int opcode, final int operand) {
   
6. // Label currentBlock = this.currentBlock;
   
7. if (currentBlock != null) {
   
8. if (compute == FRAMES) {
   
9. currentBlock.frame.execute(opcode, operand, null, null);
   
10. } else if (opcode != Opcodes.NEWARRAY) {
    
11. // updates current and max stack sizes only for NEWARRAY
    
12. // (stack size variation = 0 for BIPUSH or SIPUSH)
    
13. int size = stackSize + 1;
    
14. if (size > maxStackSize) {
    
15. maxStackSize = size;
    
16. }
    
17. stackSize = size;
    
18. }
    
19. }
    
20. // adds the instruction to the bytecode of the method
    
21. if (opcode == Opcodes.SIPUSH) {
    
22. code.put12(opcode, operand);
    
23. } else { // BIPUSH or NEWARRAY
    
24. code.put11(opcode, operand);
    
25. }
    
26. }
    
27. 
    
28. public void visitMethodInsn(
    
29. final int opcode,
    
30. final String owner,
    
31. final String name,
    
32. final String desc)
    
33. {
    
34. boolean itf = opcode == Opcodes.INVOKEINTERFACE;
    
35. Item i = cw.newMethodItem(owner, name, desc, itf);
    
36. int argSize = i.intVal;
    
37. // Label currentBlock = this.currentBlock;
    
38. if (currentBlock != null) {
    
39. if (compute == FRAMES) {
    
40. currentBlock.frame.execute(opcode, 0, cw, i);
    
41. } else {
    
42. /*
    
43. * computes the stack size variation. In order not to recompute
    
44. * several times this variation for the same Item, we use the
    
45. * intVal field of this item to store this variation, once it
    
46. * has been computed. More precisely this intVal field stores
    
47. * the sizes of the arguments and of the return value
    
48. * corresponding to desc.
    
49. */
    
50. if (argSize == 0) {
    
51. // the above sizes have not been computed yet,
    
52. // so we compute them...
    
53. argSize = getArgumentsAndReturnSizes(desc);
    
54. // ... and we save them in order
    
55. // not to recompute them in the future
    
56. i.intVal = argSize;
    
57. }
    
58. int size;
    
59. if (opcode == Opcodes.INVOKESTATIC) {
    
60. size = stackSize - (argSize >> 2) + (argSize & 0x03) + 1;
    
61. } else {
    
62. size = stackSize - (argSize >> 2) + (argSize & 0x03);
    
63. }
    
64. // updates current and max stack sizes
    
65. if (size > maxStackSize) {
    
66. maxStackSize = size;
    
67. }
    
68. stackSize = size;
    
69. }
    
70. }
    
71. // adds the instruction to the bytecode of the method
    
72. if (itf) {
    
73. if (argSize == 0) {
    
74. argSize = getArgumentsAndReturnSizes(desc);
    
75. i.intVal = argSize;
    
76. }
    
77. code.put12(Opcodes.INVOKEINTERFACE, i.index).put11(argSize >> 2, 0);
    
78. } else {
    
79. code.put12(opcode, i.index);
    
80. }
    
81. }
    
82. }

复制代码

通过注释我们可以大概理解visitIntInsn和visitMethodInsn方法的意思。

比如visitIntInsn先计算stack的size，然后根据opcode来判断是SIPUSH指令还是BIPUSH or NEWARRAY指令，并相应的调用字节码修改相关的方法。

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