圖文詳解 Java 字節碼，想不懂都難！

時間  2019-11-17
標籤 圖文 詳解 java 字節 不懂 欄目 Java 简体版
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即使對那些有經驗的Java開發人員來講，閱讀已編譯的Java字節碼也很乏味。爲何咱們首先須要瞭解這種底層的東西？這是上週發生在我身上的一個簡單故事：好久之前，我在機器上作了一些代碼更改，編譯了一個JAR，並將其部署到服務器上，以測試性能問題的一個潛在修復方案。不幸的是，代碼從未被檢入到版本控制系統中，而且出於某種緣由，本地更改被刪除了而沒有追蹤。幾個月後，我再次修改源代碼，可是我找不到上一次更改的版本！
html

幸運的是編譯後的代碼仍然存在於該遠程服務器上。我因而鬆了一口氣，我再次抓取JAR並使用反編譯器編輯器打開它......只有一個問題：反編譯器GUI不是一個完美的工具，而且出於某種緣由，在該JAR中的許多類中找到我想要反編譯的特定類並在我打開它時會在UI中致使了一個錯誤，而且反編譯器崩潰！java

絕望的時候須要採起背注一擲的措施。幸運的是，我對原始字節碼很熟悉，我寧願花些時間手動地對一些代碼進行反編譯，而不是經過不斷的更改和測試它們。由於我仍然記得在哪裏能夠查看代碼，因此閱讀字節碼幫助我精確地肯定了具體的變化，並以源代碼形式構建它們。（我必定要從個人錯誤中吸收教訓，此次要珍惜好這些教訓！）編程

字節碼的好處是，您能夠只用學習它的語法一次，而後它適用於全部Java支持的平臺——由於它是代碼的中間表示，而不是底層CPU的實際可執行代碼。此外，字節碼比本機代碼更簡單，由於JVM架構至關簡單，所以簡化了指令集，另外一件好事是，這個集合中的全部指令都是由Oracle提供完整的文檔。api

不過，在學習字節碼指令集以前，讓咱們熟悉一下JVM的一些事情，這是進行下一步的先決條件。數組

JVM 數據類型

Java是靜態類型的，它會影響字節碼指令的設計，這樣指令就會指望本身對特定類型的值進行操做。例如，就會有好幾個add指令用於兩個數字相加：iadd、ladd、fadd、dadd。他們指望類型的操做數分別是int、long、float和double。大多數字節碼都有這樣的特性，它具備不一樣形式的相同功能，這取決於操做數類型。bash

JVM定義的數據類型包括:服務器

  1. 基本類型:架構

    • 數值類型: byte (8位), short (16位), int (32位), long (64-bit位), char (16位無符號Unicode), float(32-bit IEEE 754 單精度浮點型), double (64-bit IEEE 754 雙精度浮點型)oracle

    • 布爾類型jvm

    • 指針類型: 指令指針。

  2. 引用類型:

    • 類

    • 數組

    • 接口

在字節碼中布爾類型的支持是受限的。舉例來講，沒有結構能直接操做布爾值。布爾值被替換轉換成 int 是經過編譯器來進行的，而且最終仍是被轉換成 int 結構。

Java 開發者應該熟悉全部上面的類型，除了 returnAddress，它沒有等價的編程語言類型。

基於棧的架構

字節碼指令集的簡單性很大程度上是因爲 Sun 設計了基於堆棧的 VM 架構，而不是基於寄存器架構。有各類各樣的進程使用基於JVM 的內存組件, 但基本上只有 JVM 堆須要詳細檢查字節碼指令：

PC寄存器：對於Java程序中每一個正在運行的線程，都有一個PC寄存器保存着當前執行的指令地址。

JVM 棧：對於每一個線程，都會分配一個棧，其中存放本地變量、方法參數和返回值。下面是一個顯示3個線程的堆棧示例。

jvm_stacks

堆：全部線程共享的內存和存儲對象（類實例和數組）。對象回收是由垃圾收集器管理的。

heap.png

方法區：對於每一個已加載的類，它儲存方法的代碼和一個符號表（例如對字段或方法的引用）和常量池。

method_area.png

JVM堆棧是由幀組成的，當方法被調用時，每一個幀都被推到堆棧上，當方法完成時從堆棧中彈出（經過正常返回或拋出異常）。每一幀還包括：

  1. 本地變量數組，索引從0到它的長度-1。長度是由編譯器計算的。一個局部變量能夠保存任何類型的值，long和double類型的值佔用兩個局部變量。

  2. 用來存儲中間值的棧，它存儲指令的操做數，或者方法調用的參數。

stack_frame_zoom.png

字節碼探索

關於JVM內部的見解，咱們可以從示例代碼中看到一些被生成的基本字節碼例子。Java類文件中的每一個方法都有代碼段，這些代碼段包含了一系列的指令，格式以下：
opcode (1 byte) operand1 (optional) operand2 (optional) ...
這個指令是由一個一字節的opcode和零個或若干個operand組成的，這個operand包含了要被操做的數據。
在當前執行方法的棧幀裏，一條指令能夠將值在操做棧中入棧或出棧，能夠在本地變量數組中悄悄地加載或者存儲值。讓咱們來看一個例子：

爲了打印被編譯的類中的結果字節碼（假設在Test.class文件中），咱們運行javap工具：

javap -v Test.class複製代碼

咱們能夠獲得以下結果：

咱們能夠看到main方法的方法聲明，descriptor說明這個方法的參數是一個字符串數組([Ljava/lang/String; )，並且返回類型是void（V）。下面的flags這行說明該方法是公開的(ACC_PUBLIC)和靜態的 (ACC_STATIC)。

Code屬性是最重要的部分，它包含了這個方法的一系列指令和信息，這些信息包含了操做棧的最大深度（本例中是2）和在這個方法的這一幀中被分配的本地變量的數量（本例中是4）。全部的本地變量在上面的指令中都提到了，除了第一個變量（索引爲0），這個變量保存的是args參數。其餘三個本地變量就至關於源碼中的a，b和c。

從地址0到8的指令將執行如下操做：
iconst_1:將整形常量1放入操做數棧。

iconst_1.png

istore_1:在索引爲1的位置將第一個操做數出棧（一個int值）而且將其存進本地變量，至關於變量a。

istore_1.png
iconst_2:將整形常量2放入操做數棧。

iconst_2.png
istore_2:在索引爲2的位置將第一個操做數出棧而且將其存進本地變量，至關於變量b。

istore_2.png
iload_1:從索引1的本地變量中加載一個int值，放入操做數棧。

iload_1.png
iload_2:從索引2的本地變量中加載一個int值，放入操做數棧。

iload_2.png
iadd:把操做數棧中的前兩個int值出棧並相加，將相加的結果放入操做數棧。

iadd
istore_3:在索引爲3的位置將第一個操做數出棧而且將其存進本地變量，至關於變量c。

istore_3.png
return:從這個void方法中返回。

上述指令只包含操做碼，由JVM來精確執行。

方法調用

上面的示例只有一個方法，即 main 方法。假如咱們須要對變量 c 進行更復雜的計算，這些複雜的計算寫在新方法 calc 中：

看看生成的字節碼：

main 方法代碼惟一的不一樣在於用 invokestatic 指令代替了 iadd 指令，invokestatic 指令用於調用靜態方法 calc。注意，關鍵在於操做數棧中傳遞給 calc 方法的兩個參數。也就是說，調用方法須要按正確的順序爲被調用方法準備好全部參數，交依次推入操做數棧。iinvokestatic（還有後面提到的其它相似的調用指令）隨後會從棧中取出這些參數，而後爲被調用方法建立一個新的環境，將參數做爲局域變量置於其中。

咱們也注意到invokestatic指令在地址上看佔據了3字節，由6跳轉到9。不像其他指令那樣那麼遠，這是由於invokestatic指令包含了兩個額外的字節來構造要調用的方法的引用（除了opcode外）。這引用由javap顯示爲#2，是一個引用calc方法的符號，解析於從前面描述的常量池中。

其它的新信息顯然是calc方法自己的代碼。它首先將第一個整數參數加載到操做數堆棧上（iload_0）。下一條指令，i2d，經過應用擴輾轉換將其轉換爲double類型。由此產生的double類型取代了操做數堆棧的頂部。

再下一條指令將一個double類型常量2.0d(從常量池中取出)推到操做數堆棧上。而後靜態方法Math.pow調用目前爲止準備好的兩個操做數值（第一個參數是calc和常量2.0d）。當Math.pow方法返回時，他的結果將會被存儲在其調用程序的操做數堆棧上。在下面說明。

math_pow.png

一樣的程序應用於計算Math.pow(b,2):

math_pow2.png

下一條指令，dadd，會將棧頂的兩個中間結果出棧，將它們相加，並將所得之和推入棧頂。最後，invokestatic 對這個和值調用 Math.sqrt，將結果從 double（雙精度浮點型） 窄化轉換（d2i）成 int（整型）。整型結果會返回到 main 方法中， 並在這裏保存到 c（istore_3）。

建立實例

如今修改這個示例，加入 Point 類來封裝 XY 座標。

編譯後的 main 方法的字體碼以下：

這裏引入了 new、dup 和 invokespecial 幾個新指令。new 指令與編程語言中的 new 運算符相似，它根據傳入的操做數所指定類型來建立對象（這是對 Point 類的符號引用）。對象的內存是在堆上分配，對象引用則是被推入到操做數棧上。

dup指令會複製頂部操做數的棧值，這意味着如今咱們在棧頂部有兩個指向Point對象的引用。接下來的三條指令將構造函數的參數（用於初始化對象）壓入操做數堆棧中，而後調用與構造函數對應的特殊初始化方法。下一個方法中x和y字段將被初始化。該方法完成以後，前三個操做數的棧值將被銷燬，剩下的就是已建立對象的原始引用（到目前爲止，已成功完成初始化了）。

接下來，astore_1將該Point引用出棧，並將其賦值到索引1所保存的本地變量(astore_1中的a代表這是一個引用值).

init_store.png

通用的過程會被重複執行以建立並初始化第二個Point實例，此實例會被賦值給變量b。

init2.png

init_store2.png

最後一步是將本地變量中的兩個Point對象的引用加載到索引1和2中（分別使用aload_1和aload_2），並使用invokevirtual調用area方法，該方法會根據實際的類型來調用適當的方法來完成分發。例如，若是變量a包含一個擴展自Point類的SpecialPoint實例，而且該子類重寫了area方法，則重寫後的方法會被調用。在這種狀況下，並不存在子類，所以僅有area方法是可用的。

area.png

請注意，即便area方法接受單參數，堆棧頂部也有兩個Point的引用。第一個（pointA，來自變量a）其實是調用該方法的實例（在編程語言中被稱爲this），對area方法來講，它將被傳遞到新棧幀的第一個局部變量中。另外一個操做數（pointB）是area方法的參數。

另外一種方式

你無需對每條指令的理解和執行的準確流程徹底掌握，以根據手頭的字節碼瞭解程序的功能。例如，就我而言，我想檢查代碼是否驅動Java stream來讀取文件，以及流是否被正確地關閉。如今如下面的字節碼爲例，確認如下狀況是很簡單的：一個流是否被使用而且頗有多是做爲try-with-resources語句的一部分被關閉的。

public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.Exception;
 descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
 flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
 Code:
   stack=2, locals=8, args_size=1
      0: ldc           #2 // class test/Test
      2: ldc           #3 // String input.txt
      4: invokevirtual #4 // Method java/lang/Class.getResource:(Ljava/lang/String;)Ljava/net/URL;
      7: invokevirtual #5 // Method java/net/URL.toURI:()Ljava/net/URI;
     10: invokestatic  #6 // Method java/nio/file/Paths.get:(Ljava/net/URI;)Ljava/nio/file/Path;
     13: astore_1
     14: new           #7 // class java/lang/StringBuilder
     17: dup
     18: invokespecial #8 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
     21: astore_2
     22: aload_1
     23: invokestatic  #9 // Method java/nio/file/Files.lines:(Ljava/nio/file/Path;)Ljava/util/stream/Stream;
     26: astore_3
     27: aconst_null
     28: astore        4
     30: aload_3
     31: aload_2
     32: invokedynamic #10, 0 // InvokeDynamic #0:accept:(Ljava/lang/StringBuilder;)Ljava/util/function/Consumer;
     37: invokeinterface #11, 2 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.forEach:(Ljava/util/function/Consumer;)V
     42: aload_3
     43: ifnull        131
     46: aload         4
     48: ifnull        72
     51: aload_3
     52: invokeinterface #12, 1 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.close:()V
     57: goto          131
     60: astore        5
     62: aload         4
     64: aload         5
     66: invokevirtual #14 // Method java/lang/Throwable.addSuppressed:(Ljava/lang/Throwable;)V
     69: goto          131
     72: aload_3
     73: invokeinterface #12, 1 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.close:()V
     78: goto          131
     81: astore        5
     83: aload         5
     85: astore        4
     87: aload         5
     89: athrow
     90: astore        6
     92: aload_3
     93: ifnull        128
     96: aload         4
     98: ifnull        122
    101: aload_3
    102: invokeinterface #12, 1 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.close:()V
    107: goto          128
    110: astore        7
    112: aload         4
    114: aload         7
    116: invokevirtual #14 // Method java/lang/Throwable.addSuppressed:(Ljava/lang/Throwable;)V
    119: goto          128
    122: aload_3
    123: invokeinterface #12, 1 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.close:()V
    128: aload         6
    130: athrow
    131: getstatic     #15 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
    134: aload_2
    135: invokevirtual #16 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
    138: invokevirtual #17 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
    141: return
   ...複製代碼

能夠看到java/util/stream/Stream執行forEach以前，首先觸發InvokeDynamic以引用Consumer。與此同時會發現大量調用Stream.close與Throwable.addSuppressed的字節碼，這是編譯器實現try-with-resources statement的基本代碼。

這是完整的原始代碼。

總結

還好字節碼指令集簡潔，生成指令時幾乎少有的編譯器優化，反編譯類文件能夠在沒有源碼的狀況下檢查代碼，固然如沒有源碼這也是一種需求！

原文：Introduction to Java Bytecode

譯文：Java 字節碼的介紹

譯者：dreamanzhao, 雪落無痕xdj, kevinlinkai, Tocy, 邊城, 涼涼_, 無若, imqipan, Tot_ziens

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