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图文详解 Java 字节码,想不懂都难!

  • 发布:Java培训
  • 来源:java教程
  • 时间:2018-04-23 14:48

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:

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。

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。

图文详解 Java 字节码,想不懂都难!

: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:

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。

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:

图文详解 Java 字节码,想不懂都难!

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:

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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。

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iconst_2:将整形常量2放入操作数栈。

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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。

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iload_1:从索引1的本地变量中加载一个int值,放入操作数栈。

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iload_2:从索引2的本地变量中加载一个int值,放入操作数栈。

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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。

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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。

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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:

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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。

我们也注意到invokestatic指令在地址上看占据了3字节,由6跳转到9。不像其余指令那样那么远,这是因为invokestatic指令包含了两个额外的字节来构造要调用的方法的引用(除了opcode外)。这引用由javap显示为#2,是一个引用calc方法的符号,解析于从前面描述的常量池中。

其它的新信息显然是calc方法本身的代码。它首先将第一个整数参数加载到操作数堆栈上(iload_0)。下一条指令,i2d,通过应用扩展转换将其转换为double类型。由此产生的double类型取代了操作数堆栈的顶部。

再下一条指令将一个double类型常量2.0d(从常量池中取出)推到操作数堆栈上。然后静态方法Math.pow调用目前为止准备好的两个操作数值(第一个参数是calc和常量2.0d)。当Math.pow方法返回时,他的结果将会被存储在其调用程序的操作数堆栈上。在下面说明。

图文详解 Java 字节码,想不懂都难!

同样的程序应用于计算Math.pow(b,2):

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下一条指令,dadd,会将栈顶的两个中间结果出栈,将它们相加,并将所得之和推入栈顶。最后,invokestatic 对这个和值调用 Math.sqrt,将结果从 double(双精度浮点型) 窄化转换(d2i)成 int(整型)。整型结果会返回到 main 方法中, 并在这里保存到 c(istore_3)。

创建实例

现在修改这个示例,加入 Point 类来封装 XY 坐标。

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编译后的 main 方法的字体码如下:

图文详解 Java 字节码,想不懂都难!

这里引入了 new、dup 和 invokespecial 几个新指令。new 指令与编程语言中的 new 运算符类似,它根据传入的操作数所指定类型来创建对象(这是对 Point 类的符号引用)。对象的内存是在堆上分配,对象引用则是被推入到操作数栈上。

dup指令会复制顶部操作数的栈值,这意味着现在我们在栈顶部有两个指向Point对象的引用。接下来的三条指令将构造函数的参数(用于初始化对象)压入操作数堆栈中,然后调用与构造函数对应的特殊初始化方法。下一个方法中x和y字段将被初始化。该方法完成之后,前三个操作数的栈值将被销毁,剩下的就是已创建对象的原始引用(到目前为止,已成功完成初始化了)。

接下来,astore_1将该Point引用出栈,并将其赋值到索引1所保存的本地变量(astore_1中的a表明这是一个引用值).

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通用的过程会被重复执行以创建并初始化第二个Point实例,此实例会被赋值给变量b。

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最后一步是将本地变量中的两个Point对象的引用加载到索引1和2中(分别使用aload_1和aload_2),并使用invokevirtual调用area方法,该方法会根据实际的类型来调用适当的方法来完成分发。

例如,如果变量a包含一个扩展自Point类的SpecialPoint实例,并且该子类重写了area方法,则重写后的方法会被调用。在这种情况下,并不存在子类,因此仅有area方法是可用的。

图文详解 Java 字节码,想不懂都难!

请注意,即使area方法接受单参数,堆栈顶部也有两个Point的引用。第一个(pointA,来自变量a)实际上是调用该方法的实例(在编程语言中被称为this),对area方法来说,它将被传递到新栈帧的第一个局部变量中。另一个操作数(pointB)是area方法的参数。

另一种方式

你无需对每条指令的理解和执行的准确流程完全掌握,以根据手头的字节码了解程序的功能。例如,就我而言,我想检查代码是否驱动Java stream来读取文件,以及流是否被正确地关闭。现在以下面的字节码为例,确认以下情况是很简单的:一个流是否被使用并且很有可能是作为try-with-resources语句的一部分被关闭的。

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."":()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

...

可以看到java/util/stream/Stream执行forEach之前,首先触发InvokeDynamic以引用Consumer。与此同时会发现大量调用Stream.close与Throwable.addSuppressed的字节码,这是编译器实现try-with-resources statement的基本代码。

这是完整的原始代码。

总结

还好字节码指令集简洁,生成指令时几乎少有的编译器优化,反编译类文件可以在没有源码的情况下检查代码,当然如没有源码这也是一种需求!

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