從底層入手，解析字節碼加強和Btrace應用

這篇文章聊下字節碼和相關的應用。

一、機器碼和字節碼

機器碼(machine code)，學名機器語言指令，有時也被稱爲原生碼（Native Code），是電腦的CPU可直接解讀的數據。

一般意義上來理解的話，機器碼就是計算機能夠直接執行，而且執行速度最快的代碼。

用機器語言編寫程序，編程人員要首先熟記所用計算機的所有指令代碼和代碼的涵義。手編程序時，程序員得本身處理每條指令和每一數據的存儲分配和輸入輸出，還得記住編程過程當中每步所使用的工做單元處在何種狀態。這是一件十分繁瑣的工做，編寫程序花費的時間每每是實際運行時間的幾十倍或幾百倍。並且，編出的程序全是些0和1的指令代碼，直觀性差，還容易出錯。

字節碼（Bytecode）是一種包含執行程序、由一序列 op 代碼/數據對 組成的二進制文件。字節碼是一種中間碼，它比機器碼更抽象，須要直譯器轉譯後才能成爲機器碼的中間代碼。

一般狀況下它是已經通過編譯，但與特定機器碼無關。字節碼一般不像源碼同樣可讓人閱讀，而是編碼後的數值常量、引用、指令等構成的序列。

字節碼主要爲了實現特定軟件運行和軟件環境、與硬件環境無關。字節碼的實現方式是經過編譯器和虛擬機器。編譯器將源碼編譯成字節碼，特定平臺上的虛擬機器將字節碼轉譯爲能夠直接執行的指令。

字節碼的典型應用爲Java bytecode。字節碼在運行時經過JVM（JAVA虛擬機）作一次轉換生成機器指令，所以可以更好的跨平臺運行。

二、字節碼加強技術

Java字節碼加強指的是在Java字節碼生成以後，對其進行修改，加強其功能，這種方式至關於對應用程序的二進制文件進行修改。Java字節碼加強主要是爲了減小冗餘代碼，提升性能等。

實現字節碼加強的主要步驟爲：

(1)修改字節碼

在內存中獲取到原來的字節碼，而後經過一些工具（如 ASM，Javaasist）來修改它的byte[]數組，獲得一個新的byte數組。

(2)使修改後的字節碼生效

有兩種方法：

• 自定義ClassLoader來加載修改後的字節碼；
• 替換掉原來的字節碼：在JVM加載用戶的Class時，攔截，返回修改後的字節碼；或者在運行時，使用Instrumentation.redefineClasses方法來替換掉原來的字節碼；

三、字節碼加強有哪些實現

字節碼加強技術有如下這些：

• 動態代理
• CGLIB
• Javassist
• asm

以 ASM 爲例， 使用它能夠動態修改類、方法，甚至能夠從新定義類，連 CGLib 底層都是用 ASM 實現的。

四、Btrace原理和應用

BTrace是SUN Kenai雲計算開發平臺下的一個開源項目，旨在爲java提供安全可靠的動態跟蹤分析工具。

那麼，BTrace這麼神奇的功能是如何實現的呢？既然這是個開源的代碼，那麼直接從代碼找原理。BTrace代碼開源在https://github.com/btraceio/btrace。

BTrace是基於動態字節碼修改技術(Hotswap)來實現運行時java程序的跟蹤和替換。大致的原理能夠用下面的公式描述：

Client(Java compile api + attach api) + Agent（腳本解析引擎 + ASM + JDK6 Instumentation） + Socket

BTrace工做時序圖以下：

BTrace就是使用ASM修改當前類，附加調試信息，獲得新的類，通常狀況下，Class文件是經過javac編譯器產生的，而後經過類加載器加載到虛擬機內，再經過執行引擎去執行。如今能夠經過ASM的API直接生成符合Java虛擬機規範的Class字節流，這樣，ASM作的事情必定程度上正是javac解釋器作的工做。

五、總結

字節碼加強技術能夠動態地對運行中的程序作修改，也能夠跟蹤JVM運行中程序的狀態。此外，咱們平時使用的動態代理、AOP也與字節碼加強密切相關，它們實質上仍是利用各類手段生成符合規範的字節碼文件。

掌握字節碼加強後能夠高效地定位並快速修復一些棘手的問題（如線上性能問題、方法出現不可控的出入參須要緊急加日誌等問題），也能夠在開發中減小冗餘代碼，大大提升開發效率。