Java字节码基础[转]

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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。 

Java代码  

1. public class Main {  
2.     public static void main(String[] args){  
3.         MovingAverage app = new MovingAverage();  
4.     }  
5. }  
6.    

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 

Java代码  

1. Compiled from "Main.java"  
2. public class algo.Main {  
3.   public algo.Main();  
4.        Code:  
5.        0: aload_0  
6.        1: invokespecial #1  
7.        4: return  
8. // Method java/lang/Object."<init>":()V  
9. public static void main(java.lang.String[]);  
10.      Code:  
11.        0: new           #2  
12.        3: dup  
13.        4: invokespecial #3  
14.        7: astore_1  
15.       8: return  
16. }  
17.    

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： 

Java代码  

1. public class algo.Main  
2.   SourceFile: "Main.java"  
3.   minor version: 0  
4.   major version: 51  
5.   flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER  
6. Constant pool:  
7.    #1 = Methodref    #5.#21         //  java/lang/Object."<init>":()V  
8.    #2 = Class        #22            //  algo/MovingAverage  
9.    #3 = Methodref    #2.#21         //  algo/MovingAverage."<init>":()V  
10.    #4 = Class        #23            //  algo/Main  
11.    #5 = Class        #24            //  java/lang/Object  
12.    

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？ 

Java代码  

1. 0: new           #2  
2.       3: dup  
3.       4: invokespecial #3  
4.       7: astore_1  
5.       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： 

Java代码  

1. public static void main(String[] args) {  
2.   MovingAverage ma = new MovingAverage();  
3.   int num1 = 1;  
4.   int num2 = 2;  
5.   ma.submit(num1);  
6.   ma.submit(num2);  
7.   double avg = ma.getAvg();  
8. }  
9.    

我们来看这回字节码是什么： 

Java代码  

1. [ ] Code:?0: new  #2    // class algo/MovingAverage  
2. 3: dup  
3. 4: invokespecial #3  // Method algo/MovingAverage."<init>":()V  
4. 7: astore_1  
5. 8: iconst_1  
6. 9: istore_2  
7. 10: iconst_2  
8. 11: istore_3  
9. 12: aload_1  
10. 13: iload_2  
11. 14: i2d  
12. 15: invokevirtual #4        // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V  
13. 18: aload_1  
14. 19: iload_3  
15. 20: i2d  
16. 21: invokevirtual #4        // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V  
17. 24: aload_1  
18. 25: invokevirtual #5        // Method algo/MovingAverage.getAvg:()D  
19. 28: dstore     4  
20. 40LocalVariableTable:  
21. Start  Length  Slot  Name   Signature  
22. 0       31         0    args   [Ljava/lang/String;  
23. 8       23        1      ma     Lalgo/MovingAverage;  
24. 10      21         2     num1   I  
25. 12       19         3      num2   I  
26. 30       1        4    avg     D  
27.    

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： 

Java代码  

1. MovingAverage ma = new MovingAverage();  
2. for (int number : numbers) {  
3.     ma.submit(number);  
4. }  
5.    

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： 

Java代码  

1. 0: new #2 // class algo/MovingAverage  
2. 3: dup  
3. 4: invokespecial #3 // Method algo/MovingAverage."<init>":()V  
4. 7: astore_1  
5. 8: getstatic #4 // Field numbers:[I  
6. 11: astore_2  
7. 12: aload_2  
8. 13: arraylength  
9. 14: istore_3  
10. 15: iconst_0  
11. 16: istore 4  
12. 18: iload 4  
13. 20: iload_3  
14. 21: if_icmpge 43  
15. 24: aload_2  
16. 25: iload 4  
17. 27: iaload  
18. 28: istore 5  
19. 30: aload_1  
20. 31: iload 5  
21. 33: i2d  
22. 34: invokevirtual #5 // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V  
23. 37: iinc 4, 1  
24. 40: goto 18  
25. 43: return  
26. LocalVariableTable:  
27. Start  Length  Slot  Name   Signature  
28. 30       7         5    number I  
29. 12       31        2    arr$     [I  
30. 15       28        3    len     $I  
31. 18       25         4     i$      I  
32. 0       49         0     args  [Ljava/lang/String;  
33. 8       41         1    ma     Lalgo/MovingAverage;  
34. 48      1         2    avg    D  
35.    

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： 

Java代码  

1. 18: iload 4  
2. 20: iload_3  
3. 21: if_icmpge 43  
4.    

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。 

Java代码  

1. 37: iinc       4, 1       // increment i$  
2. 40: goto       18         // jump back to the beginning of the loop  
3.    

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： 

Java代码  

1. 31: iload 5  
2.    
3. ?33: i2d?  
4.    
5. 34: invokevirtual #5 // Method algo/MovingAverage.submit:(D)V  
6.    

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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