爲何Spring技術很強大？

本文已收錄GitHub，更有互聯網大廠面試真題，面試攻略，高效學習資料等

Java 程序員幾乎都瞭解 Spring。它的 IoC（依賴反轉）和 AOP（面向切面編程）功能很是強大、易用。而它背後的字節碼生成技術（在運行時，根據須要修改和生成 Java 字節碼的技術）就是就是一項重要的支撐技術。

Java 字節碼可以在 JVM（Java 虛擬機）上解釋執行，或即時編譯執行。其實，除了Java，JVM 上的 Groovy、Kotlin、Closure、Scala 等不少語言，也都須要生成字節碼。另外，playscript 也能夠生成字節碼，從而在 JVM 上高效地運行！

並且，字節碼生成技術頗有用。你能夠用它將高級語言編譯成字節碼，還能夠向原來的代碼中注入新代碼，來實現對性能的監測等功能。

目前，我就有一個實際項目的需求。咱們的一個產品，須要一個規則引擎，解析自定義的DSL，進行規則的計算。這個規則引擎處理的數據量比較大，因此它的性能越高越好。所以，若是把 DSL 編譯成字節碼就最理想了。

既然字節碼生成技術有很強的實用價值，那麼本文就帶你掌握它。

我會先帶你瞭解 Java 的虛擬機和字節碼的指令，而後藉助 asm 這個工具，生成字節碼，最後，再實現從 AST 編譯成字節碼。經過這樣一個過程，你會加深對 Java 虛擬機的瞭解，掌握字節碼生成技術，從而更加了解 Spring 的運行機制，甚至有能力編寫這樣的工具！

Java虛擬機和字節碼

字節碼是一種二進制格式的中間代碼，它不是物理機器的目標代碼，而是運行在 Java 虛擬機上，能夠被解釋執行和即時編譯執行。

在講後端技術時，我強調的都是，如何生成直接在計算機上運行的二進制代碼，這比較符合C、C++、Go 等靜態編譯型語言。但若是想要解釋執行，除了直接解釋執行 AST 之外，我沒有講其餘解釋執行技術。

而目前更常見的解釋執行的語言，是採用虛擬機，其中最典型的就是 JVM，它可以解釋執行 Java 字節碼。

而虛擬機的設計又有兩種技術：一是基於棧的虛擬機；二是基於寄存器的虛擬機。

標準的 JVM 是基於棧的虛擬機（後面簡稱「棧機」）。

每個線程都有一個 JVM 棧，每次調用一個方法都會生成一個棧楨，來支持這個方法的運行。棧楨裏面又包含了本地變量數組（包括方法的參數和本地變量）、操做數棧和這個方法所用到的常數。

棧機是基於操做數棧作計算的。以「2+3」的計算爲例，只要把它轉化成逆波蘭表達式，「2 3 +」，而後按照順序執行就能夠了。也就是：先把 2 入棧，再把 3 入棧，再執行加法指令，這時，要從棧裏彈出 2 個操做數作加法計算，再把結果壓入棧。

你能夠看出，棧機的加法指令，是不須要帶操做數的，就是簡單的「iadd」就行，這跟你以前學過的 IR 都不同。爲何呢？由於操做數都在棧裏，加法操做須要 2 個操做數，從棧裏彈出 2 個元素就好了。

也就是說，指令的操做數是由棧肯定的，咱們不須要爲每一個操做數顯式地指定存儲位置，因此指令能夠比較短，這是棧機的一個優勢。

接下來，咱們聊聊字節碼的特色。

字節碼是什麼樣子的呢？我編寫了一個簡單的類，其中的 foo() 方法實現了一個簡單的加法計算，你能夠看看它對應的字節碼是怎樣的：

publicclassMyClass{
    publicintfoo(inta){
        returna+3;
    }
}

在命令行終端敲入下面兩行命令，生成文本格式的字節碼文件：

javacMyClass.java
javap-vMyClass>MyClass.bc

打開 MyClass.bc 文件，你會看到下面的內容片斷：

publicintfoo(int);
Code:
0:iload_1   //把下標爲1的本地變量入棧
1:iconst_3  //把常數3入棧
2:iadd      //執行加法操做
3:ireturn   //返回

其中，foo() 方法一共有四條指令，前三條指令是計算一個加法表達式 a+3。這徹底是按照逆波蘭表達式的順序來執行的：先把一個本地變量入棧，再把常數 3 入棧，再執行加法運算。

若是你細心的話，應該會發現：把參數 a 入棧的第一條指令，用的下標是 1，而不是 0。這是由於，每一個方法的第一個參數（下標爲 0）是當前對象實例的引用（this）。

我提供了字節碼中，一些經常使用的指令，增長你對字節碼特色的直觀認識，完整的指令集能夠參見JVM 的規格書：

其中，每一個指令都是 8 位的，佔一個字節，並且 iload_0，iconst_0 這種指令，甚至把操做數（變量的下標、常數的值）壓縮進了操做碼裏，能夠看出，字節碼的設計很注重節省空間。

根據這些指令所對應的操做碼的數值，MyClass.bc 文件中，你所看到的那四行代碼，變成二進制格式，就是下面的樣子：

你能夠用"hexdump MyClass.class"顯示字節碼文件的內容，從中能夠發現這個片斷（就是橙色框裏的內容）：

如今，你已經初步瞭解了基於棧的虛擬機，與此對應的是基於寄存器的虛擬機。這類虛擬機的運行機制跟機器碼的運行機制是差很少的，它的指令要顯式地指出操做數的位置（寄存器或內存地址）。它的優點是：能夠更充分地利用寄存器來保存中間值，從而能夠進行更多的優化。

例如，當存在公共子表達式時，這個表達式的計算結果能夠保存在某個寄存器中，另外一個用到該公共子表達式的指令，就能夠直接訪問這個寄存器，不用再計算了。在棧機裏是作不到這樣的優化的，因此基於寄存器的虛擬機，性能能夠更高。而它的典型表明，是 Google公司爲 Android 開發的 Dalvik 虛擬機和 Lua 語言的虛擬機。

這裏你須要注意，棧機並非不用寄存器，實際上，操做數棧是能夠基於寄存器實現的，寄存器放不下的再溢出到內存裏。只不過棧機的每條指令，只能操做棧頂部的幾個操做數，因此也就沒有辦法訪問其它寄存器，實現更多的優化。

如今，你應該對虛擬機以及字節碼有了必定的瞭解了。那麼，如何藉助工具生成字節碼呢？你可能會問了：爲何不純手工生成字節碼呢？固然能夠，只不過藉助工具會更快一些。

就像你生成 LLVM 的 IR 時，也曾得到了 LLVM 的 API 的幫助。因此，接下來我會帶你認識 asm 這個工具，並藉助它爲咱們生成字節碼。

字節碼生成工具asm

其實，有不少工具會幫咱們生成字節碼，好比 Apache BCEL、Javassist 等，選擇 asm 是由於它的性能比較高，而且它還被 Spring 等著名軟件所採用。

asm是一個開源的字節碼生成工具。Grovvy 語言就是用它來生成字節碼的，它還能解析Java 編譯後生成的字節碼，從而進行修改。

asm 解析字節碼的過程，有點像 xml 的解析器解析 xml 的過程：先解析類，再解析類的成員，好比類的成員變量（Field）、類的方法（Mothod）。在方法裏，又能夠解析出一行行的指令。

你須要掌握兩個核心的類的用法：

• Cla***eader，用來解析字節碼。
• ClassWriter，用來生成字節碼。

這兩個類若是配合起來用，就能夠一邊讀入，作必定修改後再寫出，從而實現對原來代碼的修改。

咱們先試驗一下，用 ClassWriter 生成字節碼，看看能不能生成一個跟前面示例代碼中的MyClass 同樣的類（咱們能夠稱呼這個類爲 MyClass2），裏面也有一個如出一轍的 foo函數。相關代碼參考genMyClass2()方法，這裏只拿出其中一段看一下：

//////建立foo方法
MethodVisitormv=cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC,"foo",
"(I)I",//括號中的是參數類型，括號後面的是返回值類型
null,null);
//添加參數a
mv.visitParameter("a",Opcodes.ACC_PUBLIC);
mv.visitVarInsn(Opcodes.ILOAD,1);
//iload_1
mv.visitInsn(Opcodes.ICONST_3);
//iconst_3
mv.visitInsn(Opcodes.IADD);
//iadd
mv.visitInsn(Opcodes.IRETURN);
//ireturn
//設置操做數棧最大的幀數，以及最大的本地變量數
mv.visitMaxs(2,2);
//結束方法
mv.visitEnd();
//////建立foo方法
MethodVisitormv=cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC,"foo",
"(I)I",//括號中的是參數類型，括號後面的是返回值類型
null,null);
//添加參數a
mv.visitParameter("a",Opcodes.ACC_PUBLIC);
mv.visitVarInsn(Opcodes.ILOAD,1);
//iload_1
mv.visitInsn(Opcodes.ICONST_3);
//iconst_3
mv.visitInsn(Opcodes.IADD);
//iadd
mv.visitInsn(Opcodes.IRETURN);
//ireturn
//設置操做數棧最大的幀數，以及最大的本地變量數
mv.visitMaxs(2,2);
//結束方法
mv.visitEnd();

從這個示例代碼中，你會看到兩個特色：

1. ClassWriter 有 visitClass、visitMethod 這樣的方法，以及 ClassVisitor、MethodVistor 這樣的類。這是由於 ClassWriter 用了 visitor 模式來編程。你每一次調用visitXXX 方法，就會建立相應的字節碼對象，就像 LLVM 造成內存中的 IR 對象同樣。
2. foo() 方法裏的指令，跟咱們前面看到的字節碼指令是同樣的。

執行這個程序，就會生成 MyClass2.class 文件。

把 MyClass2.class 變成可讀的文本格式以後，你能夠看到它跟 MyClass 的字節碼內容幾乎是同樣的，只有類名稱不一樣。固然了，你還能夠寫一個程序調用 MyClass2，驗證一下它是否可以正常工做。

發現了嗎？只要熟悉 Java 的字節碼指令，在 asm 的幫助下，你能夠很方便地生成字節碼！

既然你已經能生成字節碼了，那麼不如趁熱打鐵，把編譯器前端生成的 AST 編譯成字節碼，在 JVM 上運行？由於這樣，你就能從前端到後端，完整地實現一門基於 JVM 的語言了！

將AST編譯成字節碼

基於 AST 生成 JVM 的字節碼的邏輯仍是比較簡單的，比生成針對物理機器的目標代碼要簡單得多，爲何這麼說呢？主要有如下幾個緣由：

• 首先，你不用太關心指令選擇的問題。針對 AST 中的每一個運算，基本上都有惟一的字節碼指令對應，你直白地翻譯就能夠了，不須要用到樹覆蓋這樣的算法。
• 你也不須要關心寄存器的分配，由於 JVM 是使用操做數棧的；
• 指令重排序也不用考慮，由於指令的順序是肯定的，按照逆波蘭表達式的順序就能夠了；
• 優化算法，你暫時也不用考慮。

按照這個思路，你能夠在 playscript-java 中增長一個ByteCodeGen的類，針對少許的語言特性作一下字節碼的生成。最後，咱們再增長一點代碼，可以加載並執行所生成的字節碼。運行下面的命令，能夠把bytecode.play示例代碼編譯並運行。

javaplay.PlayScript-bcbytecode.play

固然了，咱們只實現了 playscript 的少許特性，不過，若是在這個基礎上繼續完善，你就能夠逐步實現一門完整的，基於 JVM 的語言了。

Spring與字節碼生成技術

我在開篇提到，Java 程序員大部分都會使用 Spring。Spring 的 IoC（依賴反轉）和AOP（面向切面編程）特性幾乎是 Java 程序員在面試時必被問到的問題，瞭解 Spring 和字節碼生成技術的關係，能讓你在面試時更輕鬆。

Spring 的 AOP 是基於代理（proxy）的機制實現的。在調用某個對象的方法以前，要先通過代理，在代理這兒，能夠進行安全檢查、記日誌、支持事務等額外的功能。

Spring 採用的代理技術有兩個：一個是 Java 的動態代理（dynamic proxy）技術；一個是採用 cglib 自動生成代理，cglib 採用了 asm 來生成字節碼。

Java 的動態代理技術，只支持某個類所實現的接口中的方法。若是一個類不是某個接口的實現，那麼 Spring 就必須用到 cglib，從而用到字節碼生成技術來生成代理對象的字節碼。

總結

本文主要帶你瞭解了字節碼生成技術。字節碼生成技術是 Java 程序員很是熟悉的Spring 框架背後所依賴的核心技術之一。若是想要掌握這個技術，你須要對 Java 虛擬機的運行原理、字節碼的格式，以及常見指令有所瞭解。我想強調的重點以下：

運行程序的虛擬機有兩種設計：一個是基於棧的；一個是基於寄存器的。

基於棧的虛擬機不用顯式地管理操做數的地址，所以指令會比較短，指令生成也比較容易。而基於寄存器的虛擬機，則能更好地利用寄存器資源，也能對代碼進行更多的優化。

你要可以在大腦中圖形化地想象出棧機運行的過程，從而對它的原理理解得更清晰。
asm 是一個字節碼操縱框架，它能幫你修改和生成字節碼，若是你有這方面的需求，能夠採用這樣的工具。

在這裏，我也建議 Java 程序員，多多瞭解 JVM 的運行機制，和 Java 字節碼，這樣會更好地把握 Java 語言的底層機制，從而更利於本身職業生涯的發展。