一文看懂Java字節碼
前言
隨着Java語言的不斷的發展，Java的應用場景慢慢被擴大，各類優雅解決問題的技術也不斷衍生，如AOP技術，清晰理解Java運行原理就顯得頗有必要，本篇文章重點講解Java字節碼相關知識。java
字節碼基礎
Java文件經過編譯器生成的是class字節碼文件，字節碼文件也有文件本身的格式，這裏不詳細展開，直接經過Java本身帶的工具查看一下。 首先咱們的測試類文件以下：segmentfault
public class Person {
public String name;
public int age;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
}
複製代碼
定義了一個Person類，裏面有name和age的屬性，編譯後生成Person.class文件，直接使用Java工具dump這個class文件，dump命令以下：數組
javap -v -p Person.class
複製代碼
dump生成的內容以下：bash
public class com.sec.resourceparse.Person
minor version: 0
major version: 51
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #5.#27 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #4.#28 // com/sec/resourceparse/Person.name:Ljava/lang/String;
#3 = Fieldref #4.#29 // com/sec/resourceparse/Person.age:I
#4 = Class #30 // com/sec/resourceparse/Person
#5 = Class #31 // java/lang/Object
#6 = Utf8 name
#7 = Utf8 Ljava/lang/String;
#8 = Utf8 age
#9 = Utf8 I
#10 = Utf8 <init>
#11 = Utf8 ()V
#12 = Utf8 Code
#13 = Utf8 LineNumberTable
#14 = Utf8 LocalVariableTable
#15 = Utf8 this
#16 = Utf8 Lcom/sec/resourceparse/Person;
#17 = Utf8 getName
#18 = Utf8 ()Ljava/lang/String;
#19 = Utf8 setName
#20 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
#21 = Utf8 getAge
#22 = Utf8 ()I
#23 = Utf8 setAge
#24 = Utf8 (I)V
#25 = Utf8 SourceFile
#26 = Utf8 Person.java
#27 = NameAndType #10:#11 // "<init>":()V
#28 = NameAndType #6:#7 // name:Ljava/lang/String;
#29 = NameAndType #8:#9 // age:I
#30 = Utf8 com/sec/resourceparse/Person
#31 = Utf8 java/lang/Object
{
public java.lang.String name;
descriptor: Ljava/lang/String;
flags: ACC_PUBLIC
public int age;
descriptor: I
flags: ACC_PUBLIC
public com.sec.resourceparse.Person();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/sec/resourceparse/Person;
public java.lang.String getName();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #2 // Field name:Ljava/lang/String;
4: areturn
LineNumberTable:
line 9: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/sec/resourceparse/Person;
public void setName(java.lang.String);
descriptor: (Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: aload_1
2: putfield #2 // Field name:Ljava/lang/String;
5: return
LineNumberTable:
line 13: 0
line 14: 5
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 6 0 this Lcom/sec/resourceparse/Person;
0 6 1 name Ljava/lang/String;
複製代碼
這裏截取了部份內容，先簡單看一下，首先是類信息的介紹：工具
public class com.sec.resourceparse.Person
minor version: 0
major version: 51
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
複製代碼
類名，編譯的JDK版本，以及訪問修飾符
而後字符串池：測試
Constant pool:
#1 = Methodref #5.#27 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #4.#28 // com/sec/resourceparse/Person.name:Ljava/lang/String;
#3 = Fieldref #4.#29 // com/sec/resourceparse/Person.age:I
#4 = Class #30 // com/sec/resourceparse/Person
#5 = Class #31 // java/lang/Object
#6 = Utf8 name
#7 = Utf8 Ljava/lang/String;
複製代碼
這裏包含整個類裏面的字符串，包含聲明的類信息，屬性等
最後是方法的信息：ui
public java.lang.String getName();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #2 // Field name:Ljava/lang/String;
4: areturn
LineNumberTable:
line 9: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/sec/resourceparse/Person;
複製代碼
這裏主要是方法名，訪問修飾符，以及操做棧執行流程信息
看完整個類的class文件，下面介紹字節碼相關的基礎知識。this
訪問修飾符
上述字節碼中類，屬性以及方法中均有flag信息，這個就是修飾符，在字節碼中類訪問修飾符及對應值以下所示：spa
| 標誌符名稱 | 標誌符值 | 釋義 |
|---|---|---|
| ACC_PUBLIC | 0x0001 | Public 類型 |
| ACC_FINAL | 0x0010 | Final類型 |
| ACC_SUPER | 0x0020 | 是否容許使用invokespecial字節碼指令的新語義 |
| ACC_INTERFACE | 0x0200 | 接口修飾符 |
| ACC_ABSTRACT | 0x0400 | abstract修飾符 |
| ACC_SYNTHETIC | 0x1000 | 標誌這個類並不是由用戶代碼生成 |
| ACC_ANNOTATION | 0x2000 | 註解修飾符 |
| **ACC_ENUM | 0x400 | 枚舉修飾符 |
上面介紹的是類的訪問修飾符，那麼屬性以及方法的也是相似的，只是相對而言比較簡單，這裏就不繼續展開了。.net
類型對照表
JAVA中有基本類型，數組，以及對象，字節碼中對類型的表示有所區別，對照表以下所示：
| 類型 | 字節碼錶示 | 釋義 |
|---|---|---|
| byte | B | 字節 |
| boolean | Z | bool |
| char | C | 字符 |
| short | S | 短整型 |
| int | I | 整型 |
| float | F | 浮點數 |
| long | J | 長整型 |
| double | D | 浮點數 |
| void | V | 空返回值 |
| 類 | Ljava/lang/Object; | 對象類型 |
| 數組 | [] | [ |
其中類是以L開頭，中間是類路徑，最後以；結尾,上面的數組是單個數組，要結合其餘類型一塊兒使用，如int[]的字節碼是[I，int[][]的字節碼是[[I.
方法解析
上面已經介紹了訪問修飾符以及JAVA字節碼中類型對照,下面講解一下方法的解析，拿上面的方法舉例，以下所示：
public java.lang.String getName();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #2 // Field name:Ljava/lang/String;
4: areturn
LineNumberTable:
line 9: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/sec/resourceparse/Person;
複製代碼
- descriptor：方法描述，描述的是方法參數以及返回值類型，其格式爲： (參數類型)返回值類型，這裏表示方法爲無參且返回值爲String
- flags: 爲方法的訪問修飾符，這裏表示爲Public
- Code：具體方法棧的描述
- stack：棧分配最大深度
- locals：方法內局部變量個數
- args_size：方法參數數量
- LineNumberTable：方法行數信息（不關注，沒有細看）
- LocalVariableTable：局部變量對照表
這裏簡單解釋一下，類方法最少有一個參數，這個參數就是類對象自己，至關於this關鍵字，並且下標是0。
字節碼指令
上面已經介紹了字節碼相關的基礎知識，可是沒有詳細說明字節碼指令相關內容，本節就重點介紹字節碼指令內容，字節碼指令主要分爲以下幾類：
- 存儲與加載類指令
加載參數到操做棧，或者將操做棧中的數據存到局部變量中，主要包括load系列指令，store和push等指令 - 對象操做指令
對象指令主要包括new生成對象，從對象中獲取屬性等操做，如getField和putField以及getStatic和putStatic等 - 棧管理指令 pop和dup等壓棧和推出棧指令
- 運算指令
運算指令主要是對數據進行加減乘除等指令，這裏也只會在操做棧中執行 - 控制跳轉指令
ifelse等條件判斷指令，還有goto等 - 方法調用和返回指令
主要包括invoke系列指令和return系列指令，其中invoke是執行方法的指令，return是返回系列指令
操做棧流程
上面已經基本介紹完字節碼全部的內容了，這裏實戰講解方法操做流程。先記住下面這個點:
JAVA方法執行都是基於棧進行的，方法調用指令調用後都會出棧，若是方法有返回值，則將返回值壓棧
先分析一個簡單的：
public java.lang.String getName();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield #2 // Field name:Ljava/lang/String;
4: areturn
LineNumberTable:
line 9: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/sec/resourceparse/Person;
複製代碼
1.aload_0:這裏是將第0個參數，壓棧，參數的類型是對象（前面分析過是this）
再介紹一個稍微複雜一點的列子：
public class Manager {
public static void main(String [] args) {
String resPath = "/Users/Desktop/resources.arsc";
FileInputStream ins = null;
ByteArrayOutputStream ous = null;
try {
ins = new FileInputStream(new File(resPath));
ous = new ByteArrayOutputStream();
int length = -1;
byte data[] = new byte[4 * 1024];
while ((length = ins.read(data)) != -1) {
ous.write(data, 0, length);
}
byte[] resData = ous.toByteArray();
ParseUtils.parseRes(resData);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
複製代碼
對應的字節碼以下所示：
public com.sec.resourceparse.Manager();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 7: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/sec/resourceparse/Manager;
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=5, locals=7, args_size=1
0: ldc #2 // String /Users/Desktop/resources.arsc
2: astore_1
3: aconst_null
4: astore_2
5: aconst_null
6: astore_3
7: new #3 // class java/io/FileInputStream
10: dup
11: new #4 // class java/io/File
14: dup
15: aload_1
16: invokespecial #5 // Method java/io/File."<init>":(Ljava/lang/String;)V
19: invokespecial #6 // Method java/io/FileInputStream."<init>":(Ljava/io/File;)V
22: astore_2
23: new #7 // class java/io/ByteArrayOutputStream
26: dup
27: invokespecial #8 // Method java/io/ByteArrayOutputStream."<init>":()V
30: astore_3
31: iconst_m1
32: istore 4
34: sipush 4096
37: newarray byte
39: astore 5
41: aload_2
42: aload 5
44: invokevirtual #9 // Method java/io/FileInputStream.read:([B)I
47: dup
48: istore 4
50: iconst_m1
51: if_icmpeq 66
54: aload_3
55: aload 5
57: iconst_0
58: iload 4
60: invokevirtual #10 // Method java/io/ByteArrayOutputStream.write:([BII)V
63: goto 41
66: aload_3
67: invokevirtual #11 // Method java/io/ByteArrayOutputStream.toByteArray:()[B
70: astore 6
72: aload 6
74: invokestatic #12 // Method com/sec/resourceparse/ParseUtils.parseRes:([B)V
77: goto 87
80: astore 4
82: aload 4
84: invokevirtual #14 // Method java/lang/Exception.printStackTrace:()V
87: return
複製代碼
這個Manager中只聲明瞭一個static的main方法，可是字節碼中有一個init的方法，其實就是默認的無參構造方法，先看一下這個方法的字節碼:
public com.sec.resourceparse.Manager();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 7: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/sec/resourceparse/Manager;
複製代碼
1.aload_0：將this對象壓入棧中
2.invokespecial：調用棧頂對象的特殊方法init方法，因爲init的返回值類型爲V，因此調用後棧頂就爲空
3.return：因爲棧頂沒有值，因此直接執行return指令就能夠了
再重點看下另一個方法：
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=5, locals=7, args_size=1
0: ldc #2 // String /Users/Desktop/resources.arsc
2: astore_1
3: aconst_null
4: astore_2
5: aconst_null
6: astore_3
7: new #3 // class java/io/FileInputStream
10: dup
11: new #4 // class java/io/File
14: dup
15: aload_1
16: invokespecial #5 // Method java/io/File."<init>":(Ljava/lang/String;)V
19: invokespecial #6 // Method java/io/FileInputStream."<init>":(Ljava/io/File;)V
22: astore_2
23: new #7 // class java/io/ByteArrayOutputStream
26: dup
27: invokespecial #8 // Method java/io/ByteArrayOutputStream."<init>":()V
30: astore_3
31: iconst_m1
32: istore 4
34: sipush 4096
37: newarray byte
39: astore 5
41: aload_2
42: aload 5
44: invokevirtual #9 // Method java/io/FileInputStream.read:([B)I
47: dup
48: istore 4
50: iconst_m1
51: if_icmpeq 66
54: aload_3
55: aload 5
57: iconst_0
58: iload 4
60: invokevirtual #10 // Method java/io/ByteArrayOutputStream.write:([BII)V
63: goto 41
66: aload_3
67: invokevirtual #11 // Method java/io/ByteArrayOutputStream.toByteArray:()[B
70: astore 6
72: aload 6
74: invokestatic #12 // Method com/sec/resourceparse/ParseUtils.parseRes:([B)V
77: goto 87
80: astore 4
82: aload 4
84: invokevirtual #14 // Method java/lang/Exception.printStackTrace:()V
87: return
複製代碼
方法解釋：
- ([Ljava/lang/String;)V：參數是一個String的一維數組，無返回值
- flags：訪問修飾符爲static 和 public的
堆棧操做解釋：
0:壓棧一個String類型的對象，值爲:"/Users/Desktop/resources.arsc"
- 彈出棧頂元素而且存在局部變量1中
- 將null壓入棧中
- 彈出棧頂元素null，而且存在局部變量2中
- 將null壓入棧中
- 彈出棧頂元素null，而且存在局部變量3中
上面操做結束後，方法棧和局部變量以下所示：
7-30:
- new一個java/io/FileInputStream對象，而且壓入棧中
- dup：將上面產生的對象再壓入棧中，當前棧有2個FileInputStream對象了
- new一個java/io/File對象，而且壓入棧中
- dup：將上面產生的File對象再壓入棧中，當前棧有2個File對象了
- aload_1：將局部變量1壓入棧中，也就是String值壓入棧中
- invokespecial：調用File的init方法，參數是String，無返回值
- invokespecial：調用FileInputStream對象的方法，參數是File，無返回值
- astore_2：將棧頂元素存到局部變量2中
- new一個java/io/ByteArrayOutputStream對象，而且壓入棧中
- dup：將上面產生的對象再壓入棧中，當前棧中有2個ByteArrayOutputStream對象
- invokespecial：調用ByteArrayOutputStream的init方法
- 將棧頂元素存到局部變量3中
31-42
- iconst_m1:將-1壓入棧中
- istore 4:將棧頂彈出，存到局部變量4中
- sipush 4096：將4096 int類型的數壓入棧頂
- newarray ：取出棧的數，建立數組，並壓入棧中
- astore 5：彈出棧的元素而且存入局部變量5中
- aload_2：將局部變量2壓入棧中
- aload 5：將局部變量5壓入棧中
- invokevirtual：執行FileInputStream的read方法，參數爲byte數組，返回值爲int
- dup：複製棧頂元素，而且壓入棧中
- istore 4：彈出棧頂元素而且存到局部變量4中
- iconst_m1：將-1再壓入棧中
- if_icmpeq 66：比較棧頂2個int數是否相等，相等就直接跳到66行，負責執行下面的邏輯
上面邏輯基本就這樣分析，這個方法比較長，就不繼續向下分析，都是同樣的步驟
操做棧流程的關鍵： 全部的操做都伴隨着壓棧和出棧的邏輯，如方法調用，使用到的在棧中的類和參數會被出棧，若是方法有返回值，則將返回值壓棧。
總結
字節碼知識仍是比較重要的，理解字節碼知識能清晰的理解JVM運行機制，同時爲後面AOP直接操做字節碼打下基礎。
參考：
segmentfault.com/a/119000000… my.oschina.net/ta8210/blog…
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