Java字节码的介绍

即便对那些有经验的Java开发人员来说,阅读已编译的Java字节码也很乏味。为什么我们首先需要了解这种底层的东西?这是上周发生在我身上的一个简单故事:很久以前,我在机器上做了一些代码更改,编译了一个JAR,并将其部署到服务器上,以测试性能问题的一个潜在修复方案。不幸的是,代码从未被检入到版本控制系统中,并且出于某种原因,本地更改被删除了而没有追踪。几个月后,我再次修改源代码,但是我找不到上一次更改的版本!

幸运的是编译后的代码仍然存在于该远程服务器上。我于是松了一口气,我再次抓取JAR并使用反编译器编辑器打开它……只有一个问题:反编译器GUI不是一个完美的工具,并且出于某种原因,在该JAR中的许多类中找到我想要反编译的特定类并在我打开它时会在UI中导致了一个错误,并且反编译器崩溃!

绝望的时候需要采取孤注一掷的措施。幸运的是,我对原始字节码很熟悉,我宁愿花些时间手动地对一些代码进行反编译,而不是通过不断的更改和测试它们。因为我仍然记得在哪里可以查看代码,所以阅读字节码帮助我精确地确定了具体的变化,并以源代码形式构建它们。(我一定要从我的错误中吸取教训,这次要珍惜好这些教训!)

字节码的好处是,您可以只用学习它的语法一次,然后它适用于 所有Java支持的平台 ——因为它是代码的中间表示,而不是底层CPU的实际可执行代码。此外,字节码比本机代码更简单,因为JVM架构相当简单,因此简化了指令集,另一件好事是,这个集合中的所有指令都是由Oracle提供 完整的文档 。

不过,在学习字节码指令集之前,让我们熟悉一下JVM的一些事情,这是进行下一步的先决条件。

JVM 数据类型

Java是静态类型的,它会影响字节码指令的设计,这样指令就会期望自己对特定类型的值进行操作。 例如,就会有好几个add指令用于两个数字相加:iadd、ladd、fadd、dadd。 他们期望类型的操作数分别是int、long、float和double。 大多数字节码都有这样的特性,它具有不同形式的相同功能,这取决于操作数类型。

JVM定义的数据类型包括:

  1. 基本类型:

    • 数值类型: byte (8位), short (16位), int (32位), long (64-bit位), char (16位无符号Unicode), float(32-bit IEEE 754 单精度浮点型), double (64-bit IEEE 754 双精度浮点型)

    • 布尔类型

    • 指针类型: 指令指针。

  2. 引用类型:

    • 数组

    • 接口

在字节码中布尔类型的支持是受限的。举例来说,没有结构能直接操作布尔值。布尔值被替换转换成 int 是通过编译器来进行的,并且最终还是被转换成 int 结构。

Java 开发者应该熟悉所有上面的类型,除了 returnAddress,它没有等价的编程语言类型。

基于栈的架构

字节码指令集的简单性很大程度上是由于 Sun 设计了基于堆栈的 VM 架构,而不是基于寄存器架构。有各种各样的进程使用基于JVM 的内存组件, 但基本上只有 JVM 堆需要详细检查字节码指令:

PC寄存器:对于Java程序中每个正在运行的线程,都有一个PC寄存器保存着当前执行的指令地址。

JVM 栈:对于每个线程, 都会分配一个 栈 ,其中存放本地变量、方法参数和返回值。 下面是一个显示3个线程的堆栈示例。

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堆:所有线程共享的内存和存储对象(类实例和数组)。 对象回收是由垃圾收集器管理的。

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方法区: 对于每个已加载的类,它储存方法的代码和一个符号表(例如对字段或方法的引用)和常量池。

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JVM堆栈是由帧组成的,当方法被调用时,每个帧都被推到堆栈上,当方法完成时从堆栈中弹出(通过正常返回或抛出异常)。 每一帧还包括:

  1. 本地变量数组,索引从0到它的长度-1。 长度是由编译器计算的。 一个局部变量可以保存任何类型的值,long和double类型的值占用两个局部变量。

  2. 用来存储中间值的栈,它存储指令的操作数,或者方法调用的 参数

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字节码探索

关于JVM内部的看法,我们能够从示例代码中看到一些被生成的基本字节码例子。Java类文件中的每个方法都有代码段,这些代码段包含了一系列的指令,格式如下:

opcode (1 byte)      operand1 (optional)      operand2 (optional)      …

这个指令是由一个一字节的opcode和零个或若干个operand组成的,这个operand包含了要被操作的数据。

在当前执行方法的栈帧里,一条指令可以将值在操作栈中入栈或出栈,可以在本地变量数组中悄悄地加载或者存储值。让我们来看一个例子:

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为了打印被编译的类中的结果字节码(假设在Test.class文件中),我们运行javap工具:

javap -v Test.class

我们可以得到如下结果:

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我们可以看到main方法的方法声明,descriptor说明这个方法的参数是一个字符串数组([Ljava/lang/String; ),而且返回类型是void(V)。下面的flags这行说明该方法是公开的(ACC_PUBLIC)和静态的 (ACC_STATIC)。

Code属性是最重要的部分,它包含了这个方法的一系列指令和信息,这些信息包含了操作栈的最大深度(本例中是2)和在这个方法的这一帧中被分配的本地变量的数量(本例中是4)。所有的本地变量在上面的指令中都提到了,除了第一个变量(索引为0),这个变量保存的是args参数。其他三个本地变量就相当于源码中的a,b和c。

从地址0到8的指令将执行以下操作:

iconst_1:将整形常量1放入操作数栈。

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istore_1:在索引为1的位置将第一个操作数出栈(一个int值)并且将其存进本地变量,相当于变量a。

Java字节码的介绍 iconst_2:将整形常量2放入操作数栈。

Java字节码的介绍 istore_2:在索引为2的位置将第一个操作数出栈并且将其存进本地变量,相当于变量b。

Java字节码的介绍 iload_1:从索引1的本地变量中加载一个int值,放入操作数栈。

Java字节码的介绍 iload_2:从索引2的本地变量中加载一个int值,放入操作数栈。

Java字节码的介绍 iadd:把操作数栈中的前两个int值出栈并相加,将相加的结果放入操作数栈。

Java字节码的介绍 istore_3:在索引为3的位置将第一个操作数出栈并且将其存进本地变量,相当于变量c。

Java字节码的介绍 return:从这个void方法中返回。

上述指令只包含操作码,由JVM来精确执行。

方法调用

上面的示例只有一个方法,即 main 方法。假如我们需要对变量 c 进行更复杂的计算,这些复杂的计算写在新方法 calc 中:

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看看生成的字节码:

Java字节码的介绍

main 方法代码唯一的不同在于用 invokestatic 指令代替了 iadd 指令,invokestatic 指令用于调用静态方法 calc。注意,关键在于操作数栈中传递给 calc 方法的两个参数。也就是说,调用方法需要按正确的顺序为被调用方法准备好所有参数,交依次推入操作数栈。iinvokestatic(还有后面提到的其它类似的调用指令)随后会从栈中取出这些参数,然后为被调用方法创建一个新的环境,将参数作为局域变量置于其中。

原文 

https://www.oschina.net/translate/introduction-to-java-bytecode

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