位元組碼詳解

封何發表於2020-10-08

位元組碼詳解

前言

萬事開頭難

位元組碼相關內容往深了挖其實東西很多，我就按照自己學習的一個心理歷程去分享一下這塊兒的內容，起個拋磚引玉的作用，很多地方沒有特別深入的研究，有待大家補充。

什麼是位元組碼

Java作為一款“一次編譯，到處執行”的程式語言，跨平臺靠的是JVM實現對不同作業系統API的支援，而一次編譯指的就是class位元組碼；即我們編寫好的.java檔案，通過編譯器編譯成.class檔案，JVM負責載入解釋位元組碼檔案，並生成系統可識別的程式碼執行(具體解析本次不做深入研究).

Class檔案

The class File Format

hello world

從程式碼開始：

package com.qty.first;

public class ClassDemo {
	
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("hello world!!");
	}
}

直接在IDE下新建專案，寫一個Hello World程式，用文字編輯器開啟生成的ClassDemo.class檔案，如下：
在這裡插入圖片描述
不可讀的亂碼，我們用16進位制方式開啟：

已經有點可讀的樣子，跟程式碼比起來，可讀性確實不高，但這就是接下來的任務，分析這些16進位制。

class結構

下面是官方文件給出的定義：

ClassFile {
    u4             magic; //魔數
    u2             minor_version; //次版本號
    u2             major_version; //主版本號
    u2             constant_pool_count; //常量池數量+1
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1]; //常量池
    u2             access_flags; // 訪問標識
    u2             this_class; // 常量池的有效下標
    u2             super_class; // 常量池的有效下標
    u2             interfaces_count; // 介面數
    u2             interfaces[interfaces_count];// 下標從0開始，元素為常量池的有效下標
    u2             fields_count;
    field_info     fields[fields_count];
    u2             methods_count;
    method_info    methods[methods_count];
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

為什麼是`CafeBabe`

其他地方的16進位制沒那麼顯眼，唯獨開頭的4個位元組開起來像是個單詞CAFEBABE.

為什麼所有檔案都要有一個魔數開頭，其實就是讓JVM有一個穩定快速的途徑來確認這個檔案是位元組碼檔案。

為什麼一定是CafeBabe,源於Java與咖啡的不解之緣。像是zip檔案的PK.

`Unsupported major.minor version 51.0`

這個報錯大家應該都見過，出現這個報錯的時候都知道是JDK版本不對，立馬去IDE上修改JDK編譯版本、執行版本，OK報錯解決。不過為什麼JDK不一致時會報錯呢，JVM是怎麼確定版本不一致的?

從位元組碼檔案說，CafeBabe繼續往後看八個位元組，分別是0000、0034,我本地環境使用的是JDK1.8

class檔案中看到的是16進位制，把0034轉為10進位制的數字就是52。我用JDK1.7編譯之後，如下：
在這裡插入圖片描述
主版本號對應的兩個位元組，根據我們本地編譯版本不同也會不同。

下面是JDK版本與版本號對應關係：

jdk版本	major.minor version
1.1	45
1.2	46
1.3	47
1.4	48
5	49
6	50
7	51
8	52

類的訪問標識

訪問標識型別表:

Flag Name	Value	Interpretation
`ACC_PUBLIC`	0x0001	Declared `public`; may be accessed from outside its package.
`ACC_FINAL`	0x0010	Declared `final`; no subclasses allowed.
`ACC_SUPER`	0x0020	Treat superclass methods specially when invoked by the invokespecial instruction.
`ACC_INTERFACE`	0x0200	Is an interface, not a class.
`ACC_ABSTRACT`	0x0400	Declared `abstract`; must not be instantiated.
`ACC_SYNTHETIC`	0x1000	Declared synthetic; not present in the source code.這個關鍵字不是原始碼生成，而是編譯器生成的
`ACC_ANNOTATION`	0x2000	Declared as an annotation type.
`ACC_ENUM`	0x4000	Declared as an `enum` type.

型別同時存在時進行+操作，如public final的值就是0x0011.

ACC_SYNTHETIC型別是編譯器根據實際情況生成，比如內部類的private方法在外部類呼叫的時候，違反了private只能本類呼叫的原則，但IDE編譯時並不會報錯，因為在生成內部類的時候加上了ACC_SYNTHETIC型別修飾

常量池

常量池數量是實際常量個數+1,常量池下標從1開始，到n-1結束；cp_info結構根據不同型別的常量，擁有不同的位元組數，通用結構為：

cp_info {
    u1 tag;
    u1 info[];//根據tag不同，長度不同
}

即每個結構體第一個位元組標識了當前常量的型別，型別表如下：

Constant 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
`CONSTANT_MethodHandle`	15
`CONSTANT_MethodType`	16
`CONSTANT_InvokeDynamic`	18

不同常量對應後續位元組數不同，如CONSTANT_Class，CONSTANT_Utf8_info：

CONSTANT_Class_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;//name_index需要是常量池中有效下標
}

CONSTANT_Utf8_info {
    u1 tag;
    u2 length; //bytes的長度，即位元組數
    u1 bytes[length];
}

PS：為什麼constant_pool_count的值是常量池的數量+1，從1開始到n-1結束？不從0開始的原因是什麼？

這個問題在這裡提一下，因為常量池中很多常量需要引用其他常量，而有可能存在常量並不需要任何有效引用，所以常量池空置了下標0的位置作為備用

還是拿Hello World為例，複製前面一段來講：

CA FE BA BE 00 00 00 33  00 22 07 00 02 01 00 17
63 6F 6D 2F 71 74 79 2F  66 69 72 73 74 2F 43 6C
61 73 73 44 65 6D 6F 07  00 04 01 00 10 6A 61 76
61 2F 6C 61 6E 67 2F 4F  62 6A 65 63 74 01 00 06

CA FE BA BE是魔數，00 00 00 33為主次版本號
00 22表示常量池數量+1，0X22 = 34即常量池長度為33
再往後一個位元組就是第一個常量的tag,07從常量型別表中可以看到型別是CONSTANT_Class_info,那麼第一個常量就是CONSTANT_Class_info,name_index為：00 02,即是常量池中第二個常量
繼續往後取一個位元組就是第二個常量的tag,01即CONSTANT_Utf8_info,那麼接下來的兩個自己就是bytes陣列的長度即後續的位元組數，0X0017 = 23也就是第二個常量還需要在讀取23個位元組63 6F 6D 2F 71 74 79 2F 66 69 72 73 74 2F 43 6C 61 73 73 44 65 6D 6F,這個23個位元組轉成字串就是com/qty/first/ClassDemo也就是我們的類名

PS : CONSTANT_Utf8_info中字元可以參考UTF-8編碼的規則

下面貼上所有常量型別的結構，如果有興趣可以詳細去了解每個型別的結構及其含義：

CONSTANT_Fieldref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

CONSTANT_Methodref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}

CONSTANT_InterfaceMethodref_info {
    u1 tag;
    u2 class_index;
    u2 name_and_type_index;
}
CONSTANT_String_info {
    u1 tag;
    u2 string_index;
}
CONSTANT_Integer_info {
    u1 tag;
    u4 bytes;
}

CONSTANT_Float_info {
    u1 tag;
    u4 bytes;
}
CONSTANT_Long_info {
    u1 tag;
    u4 high_bytes;
    u4 low_bytes;
}

CONSTANT_Double_info {
    u1 tag;
    u4 high_bytes;
    u4 low_bytes;
}
CONSTANT_NameAndType_info {
    u1 tag;
    u2 name_index;
    u2 descriptor_index;
}
CONSTANT_MethodHandle_info {
    u1 tag;
    u1 reference_kind;
    u2 reference_index;
}
CONSTANT_MethodType_info {
    u1 tag;
    u2 descriptor_index;
}
CONSTANT_InvokeDynamic_info {
    u1 tag;
    u2 bootstrap_method_attr_index;
    u2 name_and_type_index;
}

Field-欄位

field結構如下：

field_info {
    u2             access_flags; //訪問標識
    u2             name_index;
    u2             descriptor_index;
    u2             attributes_count; //屬性個數
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

field訪問標識型別如下：

Flag Name	Value	Interpretation
`ACC_PUBLIC`	0x0001	Declared `public`; may be accessed from outside its package.
`ACC_PRIVATE`	0x0002	Declared `private`; usable only within the defining class.
`ACC_PROTECTED`	0x0004	Declared `protected`; may be accessed within subclasses.
`ACC_STATIC`	0x0008	Declared `static`.
`ACC_FINAL`	0x0010	Declared `final`; never directly assigned to after object construction (JLS §17.5).
`ACC_VOLATILE`	0x0040	Declared `volatile`; cannot be cached.
`ACC_TRANSIENT`	0x0080	Declared `transient`; not written or read by a persistent object manager.
`ACC_SYNTHETIC`	0x1000	Declared synthetic; not present in the source code.
`ACC_ENUM`	0x4000	Declared as an element of an `enum`.

關於attribute_info後面再講。

Methods-方法

method_info的結構如下：

method_info {
    u2             access_flags; //訪問標識
    u2             name_index;
    u2             descriptor_index;
    u2             attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

類、欄位與方法的訪問標識型別都不太相同，方法的訪問標識如下：

Flag Name	Value	Interpretation
`ACC_PUBLIC`	0x0001	Declared `public`; may be accessed from outside its package.
`ACC_PRIVATE`	0x0002	Declared `private`; accessible only within the defining class.
`ACC_PROTECTED`	0x0004	Declared `protected`; may be accessed within subclasses.
`ACC_STATIC`	0x0008	Declared `static`.
`ACC_FINAL`	0x0010	Declared `final`; must not be overridden (§5.4.5).
`ACC_SYNCHRONIZED`	0x0020	Declared `synchronized`; invocation is wrapped by a monitor use.
`ACC_BRIDGE`	0x0040	A bridge method, generated by the compiler.
`ACC_VARARGS`	0x0080	Declared with variable number of arguments.
`ACC_NATIVE`	0x0100	Declared `native`; implemented in a language other than Java.
`ACC_ABSTRACT`	0x0400	Declared `abstract`; no implementation is provided.
`ACC_STRICT`	0x0800	Declared `strictfp`; floating-point mode is FP-strict.
`ACC_SYNTHETIC`	0x1000	Declared synthetic; not present in the source code.

ACC_BRIDGE也是由編譯器生成的，比如泛型的子類重寫父類方法，就會有一個在子類生成一個新的方法用ACC_BRIDGE標識

ACC_VARARGS可變引數的方法會出現這個標記

ACC_STRICT strictfp標識的方法中，所有float和double表示式都嚴格遵守FP-strict的限制,符合IEEE-754規範.

Descriptors-描述

方法和欄位都有自己的描述資訊，方法的描述包括引數、返回值的型別，欄位描述為欄位的型別，下面是型別表：

FieldType term	Type	Interpretation
`B`	`byte`	signed byte
`C`	`char`	Unicode character code point in the Basic Multilingual Plane, encoded with UTF-16
`D`	`double`	double-precision floating-point value
`F`	`float`	single-precision floating-point value
`I`	`int`	integer
`J`	`long`	long integer
`L` ClassName `;`	`reference`	an instance of class ClassName
`S`	`short`	signed short
`Z`	`boolean`	`true` or `false`
`[`	`reference`	one array dimension

方法描述格式為：( {ParameterDescriptor} ) ReturnDescriptor

例如：

Object m(int i, double d, Thread t);

描述資訊就是：(IDLjava/lang/Thread;)Ljava/lang/Object;

物件型別的後面需要用;分割，基礎型別不需要

attribute-屬性

attribute_info型別比較多，這裡只把我們最關心的程式碼說下，即Code_attribute:

Code_attribute {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u2 max_stack;
    u2 max_locals;
    u4 code_length;
    u1 code[code_length];
    u2 exception_table_length;
    {   u2 start_pc;
        u2 end_pc;
        u2 handler_pc;
        u2 catch_type;
    } exception_table[exception_table_length];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

只要不是native、abstact修飾的方法，必須含有Code_attribute屬性

Code_attribute中包含code、exception、attribute_info等資訊，這裡主要說下code中的內容。

code陣列中的內容就是方法中編譯後的程式碼：

         0: aload_0
         1: invokespecial #10                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return

這個就是我們上面那個類的無參建構函式編譯後的效果，那這裡面的aload_0、invokespecial、return學過JVM相關知識的話，大家已經很熟悉了.

aload_0就是變數0進棧
invokespecial呼叫例項的初始化方法，即構造方法
return 即方法結束，返回值為void

那這些aload_0、invokespecial、return相關的指令是如何儲存在code陣列中的，或者說是以什麼形式存在的？

其實JVM有這樣一個指令陣列，code陣列中的記錄的就是指令陣列的有效下標，下面是部分指令：

Code	Forms	describe
return	0xB1	當前方法返回void
areturn	0xB0	從方法中返回一個物件的引用
ireturn	0xAC	當前方法返回int
iload_0	0x1A	第一個int型區域性變數進棧
lload_0	0x1E	第一個long型區域性變數進棧
istore_0	0x3B	將棧頂int型數值存入第一個區域性變數
lstore_0	0x3F	將棧頂long型數值存入第一個區域性變數
getstatic	0xB2	獲取指定類的靜態域，並將其值壓入棧頂
putstatic	0xB3	為指定的類的靜態域賦值
invokespecial	0xB7	呼叫超類構造方法、例項初始化方法、私有方法
invokevirtual	0xB6	呼叫例項方法
iadd	0x60	棧頂兩int型數值相加，並且結果進棧
iconst_0	0x03	int型常量值0進棧
ldc	0x12	將int、float或String型常量值從常量池中推送至棧頂

詳細指令列表可以檢視官方文件。

關於attribute_info還有其他型別，有興趣的可以檢視Attribute，型別及其出現位置如下：

Attribute	Location
`SourceFile`	`ClassFile`
`InnerClasses`	`ClassFile`
`EnclosingMethod`	`ClassFile`
`SourceDebugExtension`	`ClassFile`
`BootstrapMethods`	`ClassFile`
`ConstantValue`	`field_info`
`Code`	`method_info`
`Exceptions`	`method_info`
`RuntimeVisibleParameterAnnotations`, `RuntimeInvisibleParameterAnnotations`	`method_info`
`AnnotationDefault`	`method_info`
`MethodParameters`	`method_info`
`Synthetic`	`ClassFile`, `field_info`, `method_info`
`Deprecated`	`ClassFile`, `field_info`, `method_info`
`Signature`	`ClassFile`, `field_info`, `method_info`
`RuntimeVisibleAnnotations`, `RuntimeInvisibleAnnotations`	`ClassFile`, `field_info`, `method_info`
`LineNumberTable`	`Code`
`LocalVariableTable`	`Code`
`LocalVariableTypeTable`	`Code`
`StackMapTable`	`Code`
`RuntimeVisibleTypeAnnotations`, `RuntimeInvisibleTypeAnnotations`	`ClassFile`, `field_info`, `method_info`, `Code`

javap

熟悉16進位制內容後，再來看看JDK提供的工具：

javap -verbose ClassDemo.class

可以參照反編譯效果對比之前16進位制檔案的分析，輸入如下：

Classfile /D:/eclipse-workspace/class-demo/bin/com/qty/first/ClassDemo.class
  Last modified 2020-10-7; size 560 bytes
  MD5 checksum 9e627e92c2887591a4d9d1cfd11d1f89
  Compiled from "ClassDemo.java"
public class com.qty.first.ClassDemo
  minor version: 0
  major version: 51
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Class              #2             // com/qty/first/ClassDemo
   #2 = Utf8               com/qty/first/ClassDemo
   #3 = Class              #4             // java/lang/Object
   #4 = Utf8               java/lang/Object
   #5 = Utf8               <init>
   #6 = Utf8               ()V
   #7 = Utf8               Code
   #8 = Methodref          #3.#9          // java/lang/Object."<init>":()V
   #9 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/qty/first/ClassDemo;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Fieldref           #17.#19        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Class              #18            // java/lang/System
  #18 = Utf8               java/lang/System
  #19 = NameAndType        #20:#21        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #20 = Utf8               out
  #21 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #22 = String             #23            // hello world!!
  #23 = Utf8               hello world!!
  #24 = Methodref          #25.#27        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #25 = Class              #26            // java/io/PrintStream
  #26 = Utf8               java/io/PrintStream
  #27 = NameAndType        #28:#29        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #28 = Utf8               println
  #29 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #30 = Utf8               args
  #31 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #32 = Utf8               SourceFile
  #33 = Utf8               ClassDemo.java
{
  public com.qty.first.ClassDemo();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #8                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/qty/first/ClassDemo;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #16                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #22                 // String hello world!!
         5: invokevirtual #24                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "ClassDemo.java"

位元組碼技術應用

位元組碼技術的應用場景包括但不限於AOP，動態生成程式碼，接下來講一下位元組碼技術相關的第三方類庫，第三方框架的講解是為了幫助大家瞭解位元組碼技術的應用方向，文件並沒有對框架機制進行詳細分析，有興趣的可以去了解相關框架實現原理和架構，也可以後續為大家奉上相關詳細講解。

ASM

ASM 是一個 Java 位元組碼操控框架，它能被用來動態生成類或者增強既有類的功能。ASM 可以直接產生二進位制 class 檔案，也可以在類被載入入 Java 虛擬機器之前動態改變類行為。

說白了，ASM可以在不修改Java原始碼檔案的情況下，直接對Class檔案進行修改，改變或增強原有類功能。

在熟悉了位元組碼原理的情況下，理解動態修改位元組碼技術會更加容易，接下來我們只針對ASM框架中幾個主要類進行分析，並舉個例子幫助大家理解。

主要類介紹

ClassVisitor

提供各種對位元組碼操作的方法，包括對屬性、方法、註解等內容的修改：

public abstract class ClassVisitor {
    /**
     * 	建構函式
     * @param api api的值必須等當前ASM版本號一直，否則報錯
     */
    public ClassVisitor(final int api) {
        this(api, null);
    }
    
    /**
     * 對類的頭部資訊進行修改
     *
     * @param version 版本號，從Opcodes中獲取
     * @param access 訪問標識，多種型別疊加使用'+'
     * @param name 類名，帶報名路徑，使用'/'分割
     * @param signature 簽名
     * @param superName 父類
     * @param interfaces 介面列表
     */
    public void visit(int version,int access,String name,String signature,String superName,String[] interfaces)
    {
        if (cv != null) {
            cv.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
        }
    }
    
    /**
	 * 對欄位進行修改
	 * 
	 * @param access    訪問標識
	 * @param name      欄位名稱
	 * @param desc      描述
	 * @param signature 簽名
	 * @param value     欄位值
	 * @return
	 */
	public FieldVisitor visitField(int access, String name, String desc, String signature, Object value) {
		if (cv != null) {
			return cv.visitField(access, name, desc, signature, value);
		}
		return null;
	}
	
	/**
	 * 對方法進行修改
	 * 
	 * @param access     訪問標識
	 * @param name       方法名稱
	 * @param desc       方法描述
	 * @param signature  簽名
	 * @param exceptions 異常列表
	 * @return
	 */
	public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
		if (cv != null) {
			return cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
		}
		return null;
	}
	
	/**
	* 終止編輯，對當前類的編輯結束時呼叫
	*/
	public void visitEnd() {
		if (cv != null) {
			cv.visitEnd();
		}
	}

}

ClassWriter

主要功能就是記錄所有位元組碼相關欄位，並提供轉換為位元組陣列的方法：

//ClassWriter繼承了ClassVisitor 即擁有了對class修改的功能
public class ClassWriter extends ClassVisitor {
    //下面這些成員變數，是不是很眼熟了
    private int access;
    private int name;
    String thisName;
    private int signature;
    private int superName;
    private int interfaceCount;
    private int[] interfaces;
    private int sourceFile;
    private Attribute attrs;
    private int innerClassesCount;
    private ByteVector innerClasses;
	FieldWriter firstField;
    MethodWriter firstMethod;
    
    //這個就是將快取的位元組碼封裝物件再進行轉換，按照Class檔案格式轉成位元組陣列
    public byte[] toByteArray() {
    }
}

ClassReader

//讀取Class檔案
public class ClassReader {
    /**
     * 建構函式
     * @param b Class檔案的位元組陣列
     */
	public ClassReader(final byte[] b) {
		this(b, 0, b.length);
	}
    
    /**
     * 相當於將ClassReader中讀取到的資料，轉存到classVisitor中，後續通過使用ClassVisitor的API對原Class進行修改、增強
     * @param classVisitor
     * @param flags
     */
    public void accept(final ClassVisitor classVisitor, final int flags) {
        accept(classVisitor, new Attribute[0], flags);
    }
    
}

Opcodes

public interface Opcodes {
    //這裡面的內容就是前面講到的JVM指令集合和各種訪問標識等常量
    // access flags
    int ACC_PUBLIC = 0x0001; // class, field, method
    int ACC_PRIVATE = 0x0002; // class, field, method
    int ACC_PROTECTED = 0x0004; // class, field, method
    int ACC_STATIC = 0x0008; // field, method
    int ACC_FINAL = 0x0010; // class, field, method
    int ACC_SUPER = 0x0020; // class
    int ACC_SYNCHRONIZED = 0x0020; // method
    int ACC_VOLATILE = 0x0040; // field
    int ACC_BRIDGE = 0x0040; // method
    int ACC_VARARGS = 0x0080; // method
    int ACC_TRANSIENT = 0x0080; // field
    int ACC_NATIVE = 0x0100; // method
    int ACC_INTERFACE = 0x0200; // class
    int ACC_ABSTRACT = 0x0400; // class, method
    int ACC_STRICT = 0x0800; // method
    int ACC_SYNTHETIC = 0x1000; // class, field, method
    int ACC_ANNOTATION = 0x2000; // class
    int ACC_ENUM = 0x4000; // class(?) field inner
    
    int NOP = 0; // visitInsn
    int ACONST_NULL = 1; // -
    int ICONST_M1 = 2; // -
    int ICONST_0 = 3; // -
    int ICONST_1 = 4; // -
    int ICONST_2 = 5; // -
    int ICONST_3 = 6; // -
    int ICONST_4 = 7; // -
    int ICONST_5 = 8; // -
    int LCONST_0 = 9; // -
    int LCONST_1 = 10; // -
    int FCONST_0 = 11; // -
    int FCONST_1 = 12; // -
    int FCONST_2 = 13; // -
    int DCONST_0 = 14; // -
    int DCONST_1 = 15; // -
    int BIPUSH = 16; // visitIntInsn
    int SIPUSH = 17; // -
    int LDC = 18; // visitLdcInsn
   
}

以上這些類都只是擷取其中一部分，旨在講解思路。

舉個例子

廢話不多說，直接獻上程式碼：

package com.qty.classloader;

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;
import java.lang.reflect.Method;

import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;

public class AsmDemo {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		// 生成一個類只需要ClassWriter元件即可
		ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
		// 通過visit方法確定類的頭部資訊
        //相當於 public class Custom 編譯版本1.7
		cw.visit(Opcodes.V1_7, Opcodes.ACC_PUBLIC, "com/qty/classloader/Custom", null, "java/lang/Object", null);
		// 生成預設的構造方法
		MethodVisitor mw = cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null, null);

		// 生成構造方法的位元組碼指令
        // aload_0 載入0位置的區域性變數，即this
		mw.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 0);
        // 呼叫初始化函式
		mw.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V");
		mw.visitInsn(Opcodes.RETURN);
        //maxs編輯的是最大棧深度和最大區域性變數個數
		mw.visitMaxs(1, 1);

		// 生成方法 public void doSomeThing(String value)
		mw = cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC, "doSomeThing", "(Ljava/lang/String;)V", null, null);

		// 生成方法中的位元組碼指令
        //相當於 System.out.println(value);
		mw.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
		mw.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 1);
		mw.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V");
		mw.visitInsn(Opcodes.RETURN);
		mw.visitMaxs(2, 2);

		cw.visitEnd(); // 使cw類已經完成
		// 將cw轉換成位元組陣列寫到檔案裡面去
		byte[] data = cw.toByteArray();
        //這裡需要輸出到對應專案的classes的目錄下
		File file = new File("./target/classes/com/qty/classloader/Custom.class");
		FileOutputStream fout = new FileOutputStream(file);
		fout.write(data);
		fout.close();
        //class生成了，試一下能不能正確執行
		Class<?> exampleClass = Class.forName("com.qty.classloader.Custom");
		Method method = exampleClass.getDeclaredMethod("doSomeThing", String.class);
		Object o = exampleClass.newInstance();
		method.invoke(o, "this is a test!");
	}
}

以上程式碼在我本地跑通沒有問題，且能夠正確輸出this is a test!.

使用命令看一下反編譯效果：

  Last modified 2020-10-7; size 320 bytes
  MD5 checksum eed71ac57da1174f4adf0910a9fa338a
public class com.qty.classloader.Custom
  minor version: 0
  major version: 51
  flags: ACC_PUBLIC
Constant pool:
   #1 = Utf8               com/qty/classloader/Custom
   #2 = Class              #1             // com/qty/classloader/Custom
   #3 = Utf8               java/lang/Object
   #4 = Class              #3             // java/lang/Object
   #5 = Utf8               <init>
   #6 = Utf8               ()V
   #7 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
   #8 = Methodref          #4.#7          // java/lang/Object."<init>":()V
   #9 = Utf8               doSomeThing
  #10 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #11 = Utf8               java/lang/System
  #12 = Class              #11            // java/lang/System
  #13 = Utf8               out
  #14 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #15 = NameAndType        #13:#14        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #16 = Fieldref           #12.#15        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Utf8               java/io/PrintStream
  #18 = Class              #17            // java/io/PrintStream
  #19 = Utf8               println
  #20 = NameAndType        #19:#10        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #21 = Methodref          #18.#20        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #22 = Utf8               Code
{
  public com.qty.classloader.Custom();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #8                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return

  public void doSomeThing(java.lang.String);
    descriptor: (Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: getstatic     #16                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: aload_1
         4: invokevirtual #21                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         7: return
}

ASM除了可以動態生成新的Class檔案，還可以修改原有Class檔案的功能或者在原Class檔案新增方法欄位等，這裡不再舉例子，有興趣的可以自己研究一下。不過大家已經發現，使用ASM動態修改Class檔案，難度還是有的，需要使用者對JVM指令、Class格式相當熟悉，

除了ASM，還有其他第三方工具也提供了對位元組碼的動態修改，包括CGLib,Javassisit,AspectJ等，而這些框架相比於ASM，則是將JVM指令級別的編碼封裝起來，讓使用者直接使用Java程式碼編輯，使用更加方便。

想要詳細瞭解ASM，可以參考ASM官方文件.

IDEA外掛 ASM byteCode Outline 可以直接看到程式碼的JVM操作指令.

Javassisit

Javassisit官方文件

再舉個例子

public class SsisitDemo {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
		CtClass ct = pool.makeClass("com.qty.GenerateClass");// 建立類
		ct.setInterfaces(new CtClass[] { pool.makeInterface("java.lang.Cloneable") });// 讓類實現Cloneable介面
		try {
			CtField f = new CtField(CtClass.intType, "id", ct);// 獲得一個型別為int，名稱為id的欄位
			f.setModifiers(AccessFlag.PUBLIC);// 將欄位設定為public
			ct.addField(f);// 將欄位設定到類上
			// 新增建構函式
			CtConstructor constructor = CtNewConstructor.make("public GeneratedClass(int pId){this.id=pId;}", ct);
			ct.addConstructor(constructor);
			// 新增方法
			CtMethod helloM = CtNewMethod.make("public void hello(String des){ System.out.println(des+this.id);}", ct);
			ct.addMethod(helloM);
			ct.writeFile("./target/classes");// 將生成的.class檔案儲存到磁碟

			// 下面的程式碼為驗證程式碼
			Class<?> clazz = Class.forName("com.qty.GenerateClass");
			Field[] fields = clazz.getFields();
			System.out.println("屬性名稱：" + fields[0].getName() + "  屬性型別：" + fields[0].getType());
			Constructor<?> con = clazz.getConstructor(int.class);
			Method me = clazz.getMethod("hello", String.class);
			me.invoke(con.newInstance(12), "this is a test-- ");
		} catch (CannotCompileException e) {
			e.printStackTrace();
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

輸出如下：

屬性名稱：id  屬性型別：int
this is a test-- 12

使用javap -c檢視：

Compiled from "GenerateClass.java"
public class com.qty.GenerateClass implements java.lang.Cloneable {
  public int id;

  public com.qty.GenerateClass(int);
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #15                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: iload_1
       6: putfield      #17                 // Field id:I
       9: return

  public void hello(java.lang.String);
    Code:
       0: getstatic     #26                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: new           #28                 // class java/lang/StringBuffer
       6: dup
       7: invokespecial #29                 // Method java/lang/StringBuffer."<init>":()V
      10: aload_1
      11: invokevirtual #33                 // Method java/lang/StringBuffer.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuffer;
      14: aload_0
      15: getfield      #35                 // Field id:I
      18: invokevirtual #38                 // Method java/lang/StringBuffer.append:(I)Ljava/lang/StringBuffer;
      21: invokevirtual #42                 // Method java/lang/StringBuffer.toString:()Ljava/lang/String;
      24: invokevirtual #47                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      27: return
}

Class載入

上面講到所有的內容都是Demo級別的例子，並沒有從專案使用層面來分析這些技術如何使用。比如，我們修改的位元組碼何時載入到JVM？執行中的專案如果動態修改某個類的實現，怎麼載入？

ClassLoader

ClassLoader雙親委託機制確保了每個Class只能被一個ClassLoader載入，每個ClassLoader關注自己的資源目錄：

BootStrapClassLoader -> <JAVA_HOME>/lib或者-Xbootclasspath指定的路徑
ExtClassLoader -> <JAVA_HOME>/lib/ext或者-Djava.ext.dir指定的路徑
AppClassLoader -> 專案classPath目錄，通常就是classes目錄和moven引用的jar包

上面的例子中，自動生成的Class檔案都是直接放到專案classpath下，可以直接被AppClassLoader獲取到，所以可以直接使用Class.forName獲取到class物件。但之前的例子都是直接生成新的class檔案，如果是修改已經載入好的class檔案會是什麼效果，我們接著看栗子：

package com.qty.first;
public class SsisitObj {
	private String name;
	public void sayMyName() {
		System.out.println("My name is " + name);
	}
	public String getName() {
		return name;
	}
	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
}

正常設定name之後，呼叫sayMyName會輸出自己的名字。現在要在專案執行中對這個class進行修改，使sayMyName除了列印出自己名字外，還要在列印之前輸出開始結束標記。

package com.qty.first;

import javassist.ClassPool;
import javassist.CtClass;
import javassist.CtMethod;

public class ClassDemo {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		SsisitObj obj = new SsisitObj();
		obj.setName("Jack");
		obj.sayMyName();
		addCutPoint();
		obj.sayMyName();
	}
	//對SsisitObj中方法進行修改
	private static void addCutPoint() {
		try {
			ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
			pool.insertClassPath("target/classes/com/qty/first");
			CtClass cc = pool.get("com.qty.first.SsisitObj");
            //定位到方法
			CtMethod fMethod = cc.getDeclaredMethod("sayMyName");
            //覆蓋發放內容
			fMethod.setBody("{" + "System.out.println(\"Method start. \");"
					+ "System.out.println(\"My name is \" + name);" + "System.out.println(\"Method end.  \");}");
            //生成class並載入
			cc.toClass();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

上面這個例子一定回報錯，因為Classloader並沒有解除安裝class的方法，所以一旦class被載入到JVM之後，就不可以再次被載入，那是不是有其他方案？

上栗子：

package com.qty.first;

import java.io.File;

import javassist.ClassPool;
import javassist.CtClass;
import javassist.CtMethod;

public class ClassDemo {
	private static String url = "./com/qty/first/SsisitObj.class";

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		ISaySomething obj = loadFile().newInstance();
		obj.setName("jack");
		obj.sayMyName();
		addCutPoint();
		System.out.println("-----------我是分割線-----------------");
		obj = loadFile().newInstance();
		obj.setName("jack");
		obj.sayMyName();
	}

	@SuppressWarnings("unchecked")
	private static Class<ISaySomething> loadFile() throws Exception {
		MyClassLoader loader = new MyClassLoader();
		File file = new File(url);
		loader.addURLFile(file.toURI().toURL());
		Class<ISaySomething> clazz = (Class<ISaySomething>) loader.createClass("com.qty.first.SsisitObj");
		return clazz;
	}

	private static void addCutPoint() {
		try {
			ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
			pool.insertClassPath("target/classes/com/qty/first");
			CtClass cc = pool.get("com.qty.first.SsisitObj");
			CtMethod fMethod = cc.getDeclaredMethod("sayMyName");
			fMethod.setBody("{" + "System.out.println(\"Method start. \");"
					+ "System.out.println(\"My name is \" + name);" + "System.out.println(\"Method end.  \");}");
			cc.writeFile("./");
			url = "./com/qty/first/SsisitObj.class";
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();

		}
	}
}

package com.qty.first;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.net.URLConnection;

public class MyClassLoader extends URLClassLoader {

	public MyClassLoader() {
		super(new URL[] {}, findParentClassLoader());
	}

	/**
	 * 定位基於當前上下文的父類載入器
	 * 
	 * @return 返回可用的父類載入器.
	 */
	private static ClassLoader findParentClassLoader() {
		ClassLoader parent = MyClassLoader.class.getClassLoader();
		if (parent == null) {
			parent = MyClassLoader.class.getClassLoader();
		}
		if (parent == null) {
			parent = ClassLoader.getSystemClassLoader();
		}
		return parent;
	}

	private URLConnection cachedFile = null;

	/**
	 * 將指定的檔案url新增到類載入器的classpath中去，並快取jar connection，方便以後解除安裝jar
	 * 一個可想類載入器的classpath中新增的檔案url
	 * 
	 * @param
	 */
	public void addURLFile(URL file) {
		try {
			// 開啟並快取檔案url連線
			URLConnection uc = file.openConnection();
			uc.setUseCaches(true);
			cachedFile = uc;
		} catch (Exception e) {
			System.err.println("Failed to cache plugin JAR file: " + file.toExternalForm());
		}
		addURL(file);
	}

	public void unloadJarFile(String url) {
		URLConnection fileURLConnection = cachedFile;
		if (fileURLConnection == null) {
			return;
		}
		try {
			System.err.println("Unloading plugin file " + fileURLConnection.getURL().toString());
			fileURLConnection.getInputStream().close();
			cachedFile = null;
		} catch (Exception e) {
			System.err.println("Failed to unload JAR file\n" + e);
		}
	}

	/**
	 * 繞過雙親委派邏輯，直接獲取Class
	 */
	public Class<?> createClass(String name) throws Exception {
		byte[] data;
		data = readClassFile(name);
		return defineClass(name, data, 0, data.length);
	}

	// 獲取要載入 的class檔名
	private String getFileName(String name) {
		int index = name.lastIndexOf('.');
		if (index == -1) {
			return name + ".class";
		} else {
			return name.replace(".", "/")+".class";
		}
	}

	/**
	 * 讀取Class檔案
	 */
	private byte[] readClassFile(String name) throws Exception {
		String fileName = getFileName(name);
		File file = new File(fileName);
		FileInputStream is = new FileInputStream(file);
		ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
		int len = 0;
		while ((len = is.read()) != -1) {
			bos.write(len);
		}
		byte[] data = bos.toByteArray();
		is.close();
		bos.close();
		return data;
	}

}

輸出：

My name is jack
-----------我是分割線-----------------
Method start. 
My name is jack
Method end.

這個栗子只是示意，也就是說當使用自定義Classloader的時候，是可以通過更換Classloader來實現重新載入Class的需求。

Instrument

在 JDK 1.5 中，Java 引入了java.lang.Instrument包，該包提供了一些工具幫助開發人員在 Java 程式執行時，動態修改系統中的 Class 型別。其中，使用該軟體包的一個關鍵元件就是 Java agent。

相比classloader對未載入到JVM中的class進行修改，使用Instrument可以在執行時對已經載入的class檔案重定義。

最後的栗子：

package com.qty.second;

import java.lang.instrument.ClassDefinition;
import java.lang.instrument.UnmodifiableClassException;

import com.qty.MyAgent;

import javassist.ClassPool;
import javassist.CtClass;
import javassist.CtMethod;

public class ClassDemo {
	public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException {
		SsisitObj obj = new SsisitObj();
		obj.setName("Tom");
		obj.sayMyName();
		ClassDefinition definition = new ClassDefinition(obj.getClass(), getEditClass());
		MyAgent.getIns().redefineClasses(definition);
		obj = new SsisitObj();
		obj.setName("Jack");
		obj.sayMyName();
	}
	
	private static byte[] getEditClass() {
		try {
			ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
			pool.insertClassPath("target/classes/com/qty/second");
			CtClass cc = pool.get("com.qty.second.SsisitObj");
			CtMethod fMethod = cc.getDeclaredMethod("sayMyName");
			fMethod.setBody("{" + "System.out.println(\"Method start. \");"
					+ "System.out.println(\"My name is \" + name);" + "System.out.println(\"Method end.  \");}");
			return cc.toBytecode();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();

		}
		return null;
	}
}

結語

本次分享的重點內容是位元組碼技術的入門介紹。在瞭解位元組碼結構等相關知識之後，通過舉例的方式瞭解一下位元組碼技術相關應用方法，以及如何將位元組碼技術運用到實際專案中。

本次分享就到此為止，謝謝支援。

引申

既然JVM執行時識別的只是.class檔案，而檔案格式我們也瞭解，那是不是隻要我們能夠正確生成.class檔案就可以直接執行，甚至可以不用Java語言？

答案大家肯定都知道了，當然可以。Kotlin,Scala,Groovy,Jython,JRuby…這些都是基於JVM的程式語言。

那如果我們想自己實現一款基於JVM的開發語言，怎麼搞？

定義語義，靜態，動態？，強型別，弱型別？…
定義語法，關鍵字（if,else,break,return…）
定義程式碼編譯器，如何將自己的程式碼編譯成.class

有興趣的大佬，可以試試

還可以繼續引申，語義語法都定義好了，是不是可以實現編譯器直接編譯成.exe檔案，或者linux下可以執行程式？

待續

Class載入詳細過程，如JVM如何將指令生成對應程式碼
位元組碼技術相關框架詳解，ASM,CGLib,Javassisit,AspectJ,JDK Proxy…
ClassLoader詳解
Java Agent

位元組碼檔案結構詳解
2020-08-14
JVMClass詳解之二Method位元組碼指令
2016-03-01
JVM
詳解Android Gradle生成位元組碼流程
2019-12-23
AndroidGradle
Java Class 位元組碼檔案結構詳解
2016-03-03
Java
什麼是位元組碼？python位元組碼詳細介紹！
2021-03-08
Python
C/C++位元組詳解
2017-11-04
C++
Java 位元組碼
2020-04-23
Java
位元組碼指令
2024-07-16
位元組碼基礎
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位元組碼詳解

文章目錄

位元組碼詳解

前言

萬事開頭難

什麼是位元組碼

Class檔案

hello world

class結構

為什麼是`CafeBabe`

`Unsupported major.minor version 51.0`

類的訪問標識

常量池

Field-欄位

Methods-方法

Descriptors-描述

attribute-屬性

javap

位元組碼技術應用

ASM

主要類介紹

ClassVisitor

ClassWriter

ClassReader

Opcodes

舉個例子

Javassisit

再舉個例子

Class載入

ClassLoader

Instrument

結語

引申

待續

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舉個例子

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再舉個例子

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