资讯专栏INFORMATION COLUMN

大话+图说:Java字节码指令——只为让你懂

Tonny / 488人阅读

摘要:有点基础的人一定都知道,命令会将源文件编译成字节码文件,即文件,其中就包含了大量的字节码指令。关于字节码指令的分类,可以从两个维度进行一是指令的功能,二是指令操作的数据类型。

前言

随着Java开发技术不断被推到新的高度,对于Java程序员来讲越来越需要具备对更深入的基础性技术的理解,比如Java字节码指令。不然,可能很难深入理解一些时下的新框架、新技术,盲目一味追新也会越来越感乏力。

本文既不求照本宣科,亦不求炫技或著文立说,仅力图以最简明、最形象生动的方式,结合例子与实战,让小白也能搞懂这门看似复杂的技术概念。

单刀直入

闲言碎语不要讲,先表一表,什么是Java字节码指令?简而言之,Java字节码指令就是Java虚拟机能够听得懂、可执行的指令,可以说是Jvm层面的汇编语言,或者说是Java代码的最小执行单元。
有点Java基础的人一定都知道,javac命令会将Java源文件编译成字节码文件,即.class文件,其中就包含了大量的字节码指令。因此可以将javac命令理解为一个翻译命令,将源文件翻译成Jvm可以执行的指令。
那么最直观的探究方法莫过于直接对比翻译前后的内容。
具体如何对比呢?就不得不用到Java为我们一直默默提供的一项利器,javap命令,它可以解析字节码,将字节码内部逻辑以可读的方式呈现出来。为了紧贴实战,我们直接在新建的Java工程里,写这样一个UserServiceImpl类,里面包含几个由简单到复杂的方法,以及一个名为serviceType的属性:

如图,以上方法,复杂度由低到高依次为:getServiceType下面我们编译工程,然后在下图所示的目录(gradle编译工程)找到该类的字节码文件:

cd到这个路径下,运行javap命令:

javap -v -p UserServiceImpl

就可以观看到翻译版的Java字节码的胴体了!这里的-v意思是啰嗦模式,会输出全面的字节码信息,而-p是指涵盖所有成员。原字节码信息输出内容较多,基于本文的目标,取其一方法的内容,整理如下图:
方法1,getServiceType():

这个getServiceType的方法应该是再简单不过的Java代码,翻译成字节码后也变成了三行,我们先来简单推理一下:第一句,aload_0不知所云,索性略过;第二行,getfield应该可以读懂,后面这个#8似乎是他的参数(实际上是对常量池的引用),//后面注释的内容是javap给我们加上的,意思应该是#2的指向是"Field serviceType:Ljava/lang/String;"这个内容。
所以getfield这一行就是取出serviceType这个字段喽,so easy。areturn肯定就是return的意思,a的含义也先略过不表。总之就是取出serviceType字段然后return喽。

那么现在的问题就是aload_0是什么意思了,看似多余,但仔细思考一下,似乎之前给getfield指令传入了“Field serviceType:Ljava/lang/String;”这样一个并不完整的参数,其后半部分的“Ljava/lang/String;”仅仅表示这个serviceType字段的类型是String,也就是说,整个参数里没有说是取的谁的serviceType字段啊!究竟是get谁的feild呢?

由此可以想到:aload操作一定是在为getfield指令准备了一个主体。

实际上,再结合下面的局部变量表,aload_0中的0正是局部变量表里的Slot 0的含义。意思是将局部变量表里的Slot 0的东西压入操作数栈,这个Slot 0里的东西name正是this,也就是UserServiceImpl的实例,即getfield的主体。

大戏上演

好了,对于小白同学有些陌生的概念来了,啥是操作数栈?啥是局部变量表?
其实这两个东西理解好了,关于虚拟机指令就懂了一大半了。
那么,不妨删繁就简,由易入难,先讲一个这样的故事,故事起名叫:

Java方法之创世纪

话说Jvm大帝是神之旨意的履行者(Jvm大帝就是虚拟机,神就是开发者,神之旨意是开发者写好并编译后的字节码...),当Jvm大帝带领Java世界运行进入了一个新的方法后,会为这个方法在栈内存大陆上创造两个重要的领域:局部变量表和操作数栈。

要有栈。要有表。神说。

依照神之旨意,jvm大帝创造的局部变量表里一般会包含this指针(针对实例方法,静态方法当然无此)、方法的所有传入参数和方法中所开辟的本地变量。

那么操作数栈是干嘛用的呢?

我们再引入另外一个比喻,如果把运行Java方法理解为拍戏,那么局部变量表里的各个局部变量就是这部戏的核心主角,或者说领衔主演,而操作数栈正是这部戏的舞台。所谓操作数栈搭台,局部变量唱戏,是也。那么aload_0就是告诉Jvm导演(大帝已沦落为导演),请0号演员this同志登台(压栈),演后边的本子。
当然了,这个比喻并不完全恰当,因为操作数栈并不是“舞台”的结构,而是栈的结构。但是这个比喻可以很好地说明局部变量表和操作数栈之间的关系,以及aload_0的作用。

下面我们用一张图来演示一下getServiceType这个小剧本桥段所导演的故事:

好吧这部剧虽然短的可怜,但已经基本把指令、操作数栈和局部变量表三者的关系演绎了出来。
值得注意的是,getfield这条指令对操作数栈进行了复合操作,其流程可以示意如下图:

后面我们将要接触到的许多指令都如此,指令内部执行了弹出—>处理—>压回的流程。
下面我们就来分析一个相对复杂一点的方法,setServiceType(String),如下图:

这里我们看到,变化主要有,指令多了一行,多进行了一次aload,getfield变成了putfield,areturn变成了return,仅此而已。另外领衔主演也就是局部变量表里多了一位,也就是方法的传入参数serviceType字符串对象了。其情节如下:

这里,putfield只弹出栈内的操作数,而没有向操作数栈压回任何数据,而且执行putfield之前,栈内元素的位置也必须符合“值在上,主体在下”要求。
而最后的return仅表示方法结束,而不会像areturn一样返回栈顶元素。这也印证了setServiceType(String)方法没有返回参数。

融会贯通

相信有了以上的讲解,大家对指令、操作数栈、局部变量表三者的运作关系有了一定认识,为了后边能够分析更复杂的方法,这里必须概括性地讲解一下更多的Java字节码指令。虽然Java字节码指令非常多,但其实常用的不外乎几个类别,先从这几个常用类别入手理解,便可渐入佳境。
关于字节码指令的分类,可以从两个维度进行:一是指令的功能,二是指令操作的数据类型。我们先从功能说起,指令主要可以分为如下几类:

存储和加载类指令:主要包括load系列指令、store系列指令和ldc、push系列指令,主要用于在局部变量表、操作数栈和常量池三者之间进行数据调度;(关于常量池前面没有特别讲解,这个也很简单,顾名思义,就是这个池子里放着各种常量,好比片场的道具库)

对象操作指令(创建与读写访问):比如我们刚刚的putfield和getfield就属于读写访问的指令,此外还有putstatic/getstatic,还有new系列指令,以及instanceof等指令。

操作数栈管理指令:如pop和dup,他们只对操作数栈进行操作。

类型转换指令和运算指令:如add/div/l2i等系列指令,实际上这类指令一般也只对操作数栈进行操作。

控制跳转指令:这类里包含常用的if系列指令以及goto类指令。

方法调用和返回指令:主要包括invoke系列指令和return系列指令。这类指令也意味这一个方法空间的开辟和结束,即invoke会唤醒一个新的java方法小宇宙(新的栈和局部变量表),而return则意味着这个宇宙的结束回收。

如下图,展示了各类指令的作用:

再从另外一个维度,即指令操作的数据类型来讲:指令开头或尾部的一些字母,就往往表明了它所能操作的数据类型:

a对应对象,表示指令操作对象性数据,比如aload和astore、areturn等等。
i对应整形。也就有iload,istore等i系列指令。
f对应浮点型。
l对应long,b对应byte,d对应double,c对应char。
另外地,ia对应int array,aa对应object array,da对应double array。不在一一赘述。

了解了以上内容,我们再去看最后几个方法,应该就会容易理解很多了。
下面我们就直捣黄龙genToken这个方法(图中的颜色暗示了指令和方法调用之间的关系):

这个过程简单解读如下:
1.new一个StringBuilder对象(在堆内存中开辟空间),并将其引用入栈,用于实现加号连接字符串功能(相当于C++中的运算符重载);
2.dup复制栈顶的刚刚放入的引用,再次压栈,这时栈里有两个重复的内容,深度为2;
3.调用并弹出栈顶StringBuilder引用对象的方法,栈深度为1;
4.(绿色部分)调用UUID.randomUUID()静态方法,结果压栈后弹出调用String的toString方法,再压栈,栈深度为2;
5.(黄色部分)将"-"和""字符压栈,此时栈深度为4,弹出(栈顶3个元素)调用replace方法,结果压栈,深度为2;
6.调用StringBuilder对象的append方法,结果压栈,深度为1;
7.(蓝色部分)将参数user压栈并调用hashCode方法,结果压栈,深度为2;
8.调用StringBuilder对象的append方法(此处和上面的append调用共同完成了加号功能,在图中为红色部分),结果压栈,深度为1,再调用toString方法后结果压栈,深度为1;
9.areturn返回栈顶对象。

再看这个包含if跳转的方法login:

如上图,图中已经说明的比较全面了,不再赘述。值得一提的是,Java的这种基于栈结构的指令,在设计上有一种非常简洁的美感,指令与指令之间并没有较重的依赖,每条指令仅仅与操作数栈等领域内的数据发生关系,充满着某种平衡与秩序感。因此也必须注意,几乎每条指令的运行都有其前提,比如在invokevirtual或invokespecial指令执行前,必须保证操作数栈内提前按顺序压入好所需的操作数,否则就会发生问题。
关于最复杂的onCreate方法,就不再啰嗦解读了,读者可以前往我的github上的对应demo repo,进入tutorial分支,拉取源码和教程资源,或者自己写demo体验这一完整过程。
地址:https://github.com/BryanSharp...

后话

关于实战,一是可以学习使用强大开源工具ASM.jar;二是,可以参考本人的另一篇文章:Java字节码修改神器HiBeaver:黑掉你的SDK以及一次Android字节码插桩实战,利用hibeaver这个助手,开发者可以非常灵活地对字节码进行修改,插入指令,hook代码,甚至建立一些简单的AOP框架,对于Java字节码学习大有裨益。
hibeaver完全开源,github项目地址:https://github.com/BryanSharp...

祝玩的愉快!
本文如有不妥之处,欢迎交流指正。

另外,本文为了尽可能地简明生动、直入核心,简化了很多概念和细节,读者须知实际情况的更为复杂。但相信在理解了本文以后,就可以抓住Java字节码指令的核心理念,也就算扣开虚拟机学习的大门并可以开始读书精进了。下面盗图一张(后有出处),可作拓展:

链接:http://blog.csdn.net/luanloui...

关注最新技术分享和资讯:TechHome,技术人之家!

文章版权归作者所有,未经允许请勿转载,若此文章存在违规行为,您可以联系管理员删除。

转载请注明本文地址:https://www.ucloud.cn/yun/66764.html

相关文章

  • Java字节修改神器HiBeaver:黑掉你的SDK

    摘要:下面我们正式开始尝试小米推送,首先,找出其业务逻辑中的一个节点。因为小米推送是商业产品,这里不便于探索太多内容,但是通过这个插件可以比较方便的进行类似的研究。 前言 有时候我们在Java开发过程中可能有这样的需求:需要研究或者修改工程依赖的Jar包中的一些逻辑,查看代码运行中Jar包代码内部的取值情况(比如了解SDK与其服务器通信的请求报文加密前的情况)。 这个需求类似于Hook。 但...

    Lavender 评论0 收藏0
  • 一次Java字节插桩实战

    摘要:理解本文需要一定的字节码指令基础,可以阅读笔者的另一篇文章大话图说字节码指令只为让你懂利用字节码插桩技术可以很方便地帮助我们实现很多手术刀式的代码设计,如无埋点统计上报轻量级等。 理解本文需要一定的Java字节码指令基础,可以阅读笔者的另一篇文章:大话+图说:Java字节码指令——只为让你懂 利用Android字节码插桩技术可以很方便地帮助我们实现很多手术刀式的代码设计,如无埋点统计...

    eternalshallow 评论0 收藏0
  • 图说 WebAssembly(五):高性能原因

    摘要:本文是图说系列文章的第五篇。这样的话,使用的开发者也不需要做任何适配,但是它们却能获得更高性能。该图并不是用来准确的衡量其性能的。运行编写出高性能的代码是可能的。这种清理工作由引擎自动进行,称为垃圾回收。 本文是图说 WebAssembly 系列文章的第五篇。如果您还未阅读之前的文章,建议您从第一篇入手。 在上一篇文章中,我们说到了使用 WebAssembly 和 JavaScript...

    seal_de 评论0 收藏0

发表评论

0条评论

最新活动
阅读需要支付1元查看
<