Java字节码基础
原文链接:http://it.deepinmind.com/jvm/2014/05/24/mastering-java-bytecode.html
Java是一门设计为运行于虚拟机之上的编程语言,因此它需要一次编译,处处运行(当然也是一次编写,处处测试)。因此,安装到你系统上的JVM是原生的程序,而运行在它之上的代码是平台无关的。Java字节码就是你写的源代码的中间表现形式,也就是你的代码编译后的产物。你的class文件就是字节码。
简单点说,字节码就是JVM使用的代码集,它在运行时可能会被JIT编译器编译成本地代码。
你玩过汇编语言或者机器代码吗?字节码就是类似的东西,不过业界中许多人也很少会用及它,因为基本没这个必要。然而它对于理解程序运行是很重要的,如果你想在酒吧把某人PK下去,它也非常有用。
首先,我们先看一下字节码的基础知识。先拿表达式’1+2‘为例子,看下它的字节码是如何执行的。1+2可以用逆波兰式记法写成1
2 +。为什么?我们把它压到栈里你就明白了。。
OK,在字节码中我们看到了操作码(iconst_1和iconst_2)以及一条指令(iadd),但不是push和add,不过它们的流程是一样的。实际的指令的长度只有一个字节,所以我们把它称为字节码。一共有256种可能的字节码,但现在只用了大概200条。操作码的前缀是类型,后面是操作名。因此我们前面看到的iconst和iadd分别是整型的常量操作,以及整型的加法指令。
这些都不难理解,不过怎么读取class文件呢。通常来说,如果你用自己的编辑器直接打开class文件的话,你会看到一堆笑脸和方块,点号和一些奇奇怪怪的字符,对吧?答案是使用你的JDK提供的一个代码工具,javap。我们来看下如何使用javap。
- public class Main {
- public static void main(String[] args){
- MovingAverage app = new MovingAverage();
- }
- }
一旦这个类编译成了Main.class文件后,你可以使用这个命令来解压字节码:javap -c
Main
- Compiled from "Main.java"
- public class algo.Main {
- public algo.Main();
- Code:
- 0: aload_0
- 1: invokespecial #1
- 4: return
- // Method java/lang/Object."<init>":()V
- public static void main(java.lang.String[]);
- Code:
- 0: new #2
- 3: dup
- 4: invokespecial #3
- 7: astore_1
- 8: return
- }
我们可以看到字节码里有一个默认的构造方法以及main方法。顺便说一下,这就是当你没有写构造方法时,Java提供默认的构造方法的方式!构造方法中的字节码只是简单地调用了下super(),而我们的main方法会创建一个MovingAverage的实例然后返回。这个#n字符引用的是一个常量,这个我们可以通过-verbose参数看到:javap
-c -verbose Main。返回结果里有意思的是下面这段:
- public class algo.Main
- SourceFile: "Main.java"
- minor version: 0
- major version: 51
- flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
- Constant 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
现在我们将指令匹配到对应的常量上,可以更容易弄清楚到底发生了什么。上面的这个例子有什么看不明白的吗?没有?那每个指令前面的数字是什么呢?
- 0: new #2
- 3: dup
- 4: invokespecial #3
- 7: astore_1
- 8: return
现在糊涂了吧?:-)如果我们把这个方法体看成一个数组的话,你会得到下面这个东西:
注意每条指令都可以用16进制表示,因此我们实际会得到这个:
如果我们用16进制编辑器打开class文件的话,也能看到它:
我们可以在16进制编辑器中修改这段字节码,不过还是诚实点吧,这不是你想做的,尤其是在一个刚去完酒吧的周五下午。最好的方式就是使用ASM或者javassist。
我们继续从这个基础的例子讲起,这回增加一些本地变量来存储状态,并直接和栈进行交互。看下下面的代码:
- 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();
- }
我们来看这回字节码是什么:
- [ ] Code:?0: new #2 // class algo/MovingAverage
- 3: dup
- 4: invokespecial #3 // Method algo/MovingAverage."<init>":()V
- 7: astore_1
- 8: iconst_1
- 9: istore_2
- 10: iconst_2
- 11: istore_3
- 12: aload_1
- 13: iload_2
- 14: i2d
- 15: invokevirtual #4 // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V
- 18: aload_1
- 19: iload_3
- 20: i2d
- 21: invokevirtual #4 // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V
- 24: aload_1
- 25: invokevirtual #5 // Method algo/MovingAverage.getAvg:()D
- 28: dstore 4
- 40LocalVariableTable:
- Start Length Slot Name Signature
- 0 31 0 args [Ljava/lang/String;
- 8 23 1 ma Lalgo/MovingAverage;
- 10 21 2 num1 I
- 12 19 3 num2 I
- 30 1 4 avg D
看起来更有意思了。。。我们看到这里创建了一个MovingAverage类型的对象,并通过astroe_1指令(1是LocalVariableTable里面的变量槽的位置)存储到了本地变量ma里。指令
iconst_1和iconst_2是用来加载常量1和2到栈里,然后再通过istore_2和istore_3将它们分别存储到LocalVariableTable中第2和第3的位置那。一条load指令将本地变量压到了栈里,而store指令将栈顶的元素弹出,并存储到LocalVariableTable里。很重要的一点是,如果你使用store指令的话,该元素就从栈中移出了,如果你想再操作它的话,得重新加载进来才行。
那执行中的流程控制是怎样的呢?我们看到的只是一行到下一行的顺序执行而已。我想看到GOTO
10这样的组合!我们来再看一个例子:
- MovingAverage ma = new MovingAverage();
- for (int number : numbers) {
- ma.submit(number);
- }
在这个例子中,当我们遍历for循环的时候,执行流程会不停地进行跳转。假设这个numbers变量是一个静态变量,那对应的字节码就像是下面这样:
- 0: new #2 // class algo/MovingAverage
- 3: dup
- 4: invokespecial #3 // Method algo/MovingAverage."<init>":()V
- 7: astore_1
- 8: getstatic #4 // Field numbers:[I
- 11: astore_2
- 12: aload_2
- 13: arraylength
- 14: istore_3
- 15: iconst_0
- 16: istore 4
- 18: iload 4
- 20: iload_3
- 21: if_icmpge 43
- 24: aload_2
- 25: iload 4
- 27: iaload
- 28: istore 5
- 30: aload_1
- 31: iload 5
- 33: i2d
- 34: invokevirtual #5 // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V
- 37: iinc 4, 1
- 40: goto 18
- 43: return
- LocalVariableTable:
- Start Length Slot Name Signature
- 30 7 5 number I
- 12 31 2 arr$ [I
- 15 28 3 len $I
- 18 25 4 i$ I
- 0 49 0 args [Ljava/lang/String;
- 8 41 1 ma Lalgo/MovingAverage;
- 48 1 2 avg D
8到17的指令是用来设置这个循环的。LocalVariable表中有三个变量,它们在源码中是不存在的,arr$,
len$以及i$。这些都是循环中会用到的变量。arr$存储的是numbers字段的引用,从它这能获取到数组的长度,len$。i$是循环的计数器,iinc指令会去增加它的值。
首先我们需要对循环的条件表达式进行测试,这个可以通过一个比较指令来完成:
- 18: iload 4
- 20: iload_3
- 21: if_icmpge 43
我们将4和3压到了栈里,这是循环的计数器以及循环的长度。我们检查 i$
是不是大于等于len$。如果是的话,跳转到43处的语句,否则继续执行。我们可以在循环体中处理自己的逻辑,结束的时候会增加计数器的值,并跳转回代码中18行处的判断循环条件的语句那。
- 37: iinc 4, 1 // increment i$
- 40: goto 18 // jump back to the beginning of the loop
字节码中有许多算术运算的操作码和类型的组合,包括如下这些:
前面那个例子中我们把一个整型传递给了接收double类型的submit方法里。Java的语法是允许这样的,不过在字节码中,你可以看到实际用到了i2d操作码:
- 31: iload 5
- ?33: i2d?
- 34: invokevirtual #5 // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V
看吧,你已经掌握了这么多了。做的不错,该喝杯咖啡犒劳一下自己了。了解这些东西真的有用吗,还是感觉更geek一些而已?其实两者都有。首先,从现在开始你可以告诉你的朋友,你就是台能处理字节码的JVM了,第二,当你在编写字节码的时候,你会更清楚自己在做些什么。比方说,当你在用ObjectWeb
ASM这个广泛使用的操作字节码的工具时,你会需要自己来构造指令,这时候你会发现这些知识太有用了!
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