JVM之——字节代码的操纵
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在一般的Java应用开发过程中，开发人员使用Java的方式比较简单。打开惯用的IDE，编写Java源代码，再利用IDE提供的功能直接运行Java 程序就可以了。这种开发模式背后的过程是：开发人员编写的是Java源代码文件（.java），IDE会负责调用Java的编译器把Java源代码编译成平台无关的字节代码（byte code），以类文件的形式保存在磁盘上（.class）。 Java虚拟机（JVM）会负责把Java字节代码加载并执行。 Java通过这种方式来实现其 “编写一次，到处运行（Write once, run anywhere）” 的目标。 Java类文件中包含的字节代码可以被不同平台上的JVM所使用。 Java字节代码不仅可以以文件形式存在于磁盘上，也可以通过网络方式来下载，还可以只存在于内存中。 JVM中的类加载器会负责从包含字节代码的字节数组（byte[]）中定义出Java类。在某些情况下，可能会需要动态的生成 Java字节代码，或是对已有的Java字节代码进行修改。这个时候就需要用到本文中将要介绍的相关技术。首先介绍一下如何动态编译Java源文件。
一、动态编译 Java 源文件
在一般情况下，开发人员都是在程序运行之前就编写完成了全部的Java源代码并且成功编译。对有些应用来说，Java源代码的内容在运行时刻才能确定。这个时候就需要动态编译源代码来生成Java字节代码，再由JVM来加载执行。典型的场景是很多算法竞赛的在线评测系统（如 PKU JudgeOnline），允许用户上传Java代码，由系统在后台编译、运行并进行判定。在动态编译Java源文件时，使用的做法是直接在程序中调用Java编译器。
JSR 199引入了Java编译器API。如果使用JDK 6 的话，可以通过此API来动态编译Java代码。比如下面的代码用来动态编译最简单的Hello World类。该Java类的代码是保存在一个字符串中的。
package com.lyz.jvm.compiler;
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;
import java.util.Arrays;
import javax.tools.JavaCompiler;
import javax.tools.JavaCompiler.CompilationTask;
import javax.tools.JavaFileObject;
import javax.tools.SimpleJavaFileObject;
import javax.tools.StandardJavaFileManager;
import javax.tools.ToolProvider;
/**
* 动态编译测试
* @author liuyazhuang
*
*/
public class CompilerTest {
public static void main(String[] args) throws Exception{
String source = "public class Main{ public static void main(String[] args) {System.out.println(\"Hello World!\");}}";
JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();
StandardJavaFileManager fileManager = compiler.getStandardFileManager(null, null, null);
StringSourceJavaObject sourceJavaObject = new StringSourceJavaObject("Main", source);
Iterable fileObjects = Arrays.asList(sourceJavaObject);
CompilationTask task = compiler.getTask(null, fileManager, null, null, null, fileObjects);
boolean result = task.call();
if(result){
System.out.println("编译成功。");
}
}
static class StringSourceJavaObject extends SimpleJavaFileObject{
private String content = null;
public StringSourceJavaObject(String name, String content) throws URISyntaxException{
super(URI.create("string:///" + name.replace('.', '/') + Kind.SOURCE.extension), Kind.SOURCE);
this.content = content;
}
public CharSequence getCharContent(boolean ignoreEncodingErrors) throws IOException{
return content;
}
}
}下面介绍一个例子，是关于如何在Java里面做四则运算，比如求出来(3+4)*7-10 的值。
一般的做法是分析输入的运算表达式，自己来模拟计算过程。考虑到括号的存在和运算符的优先级等问题，这样的计算过程会比较复杂，而且容易出错。另外一种做法是可以用 JSR 223引入的脚本语言支持，直接把输入的表达式当做JavaScript或是JavaFX脚本来执行，得到结果。下面的代码使用的做法是动态生成Java源代码并编译，接着加载Java类来执行并获取结果。这种做法完全使用Java来实现。
private static double calculate(String expr) throws CalculationException{
String className = "CalculatorMain";
String methodName = "calculate";
String source = "public class " + className + " { public static double " + methodName + "() { return " + expr + "; } }";
//省略动态编译Java源代码的相关代码，参见上一节
boolean result = task.call();
if (result) {
ClassLoader loader = Calculator.class.getClassLoader();
try {
Class clazz = loader.loadClass(className);
Method method = clazz.getMethod(methodName, new Class[] {});
Object value = method.invoke(null, new Object[] {});
return (Double) value;
} catch (Exception e) {
throw new CalculationException("内部错误。 ");
}
}else{
throw new CalculationException("错误的表达式。 ");
}
}二、Java 字节代码增强
Java 字节代码增强指的是在Java字节代码生成之后，对其进行修改，增强其功能。这种做法相当于对应用程序的二进制文件进行修改。在很多Java框架中都可以见到这种实现方式。 Java字节代码增强通常与Java源文件中的注解（annotation）一块使用。注解在Java源代码中声明了需要增强的行为及 相关的元数据，由框架在运行时刻完成对字节代码的增强。 Java字节代码增强应用的场景比较多，一般都集中在减少冗余代码和对开发人员屏蔽底层的实现细节 上。用过 JavaBeans的人可能对其中那些必须添加的getter/setter方法感到很繁琐，并且难以维护。而通过字节代码增强，开发人员只需要声明Bean中的属性即可，getter/setter方法可以通过修改字节代码来自动添加。用过 JPA的人，在调试程序的时候，会发现 实体类 中被添加了一些额外的 域和方法。这些域和方法是在运行时刻由JPA的实现动态添加的。字节代码增强在面向方面编程（AOP）的一些实现中也有使用。在讨论如何进行字节代码增强之前，首先介绍一下表示一个 Java 类或接口的字节代码的组织形式。
类文件 {
0xCAFEBABE，小版本号，大版本号，常量池大小，常量池数组，
访问控制标记，当前类信息，父类信息，实现的接口个数，实现的接口信息数组，
域个数，域信息数组，方法个数，方法信息数组，属性个数，属性信息数组
}ClassReader cr = new ClassReader(is);
ClassNode cn = new ClassNode();
cr.accept(cn, 0);
for (Object object : cn.methods) {
MethodNode mn = (MethodNode) object;
if ("".equals(mn.name) || "".equals(mn.name)) {
continue;
}
InsnList insns = mn.instructions;
InsnList il = new InsnList();
il.add(new FieldInsnNode(GETSTATIC, "java/lang/System", "out",
"Ljava/io/PrintStream;"));
il.add(new LdcInsnNode("Enter method -> " + mn.name));
il.add(new MethodInsnNode(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream",
"println", "(Ljava/lang/String;)V"));
insns.insert(il); mn.maxStack += 3;
}
ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
cn.accept(cw);
byte[] b = cw.toByteArray(); - 由IDE在完成编译操作之后执行。如Google App Engine的Eclipse插件会在编译之后运行 DataNucleus来对实体类进行增强。
- 在构建过程中完成，比如通过 Ant 或 Maven 来执行相关的操作。
- 实现自己的 Java 类加载器。当获取到 Java 类的字节代码之后，先进行增强处理，再从修改过的字节代码中定义出 Java 类。
- 通过 JDK 5 引入的 java.lang.instrument 包来完成
三、java.lang.instrument
由于存在着大量对Java字节代码进行修改的需求，JDK 5引入了java.lang.instrument包并在 JDK 6中 得到了进一步的增强。基本的思路是在JVM启动的时候添加一些代理（agent）。每个代理是一个jar包，其清单（manifest）文件中会指定一个 代理类。这个类会包含一个premain方法。 JVM在启动的时候会首先执行代理类的premain方法，再执行Java程序本身的main方法。在 premain方法中就可以对程序本身的字节代码进行修改。 JDK 6 中还允许在JVM启动之后动态添加代理。 java.lang.instrument包支持两种修改的场景，一种是重定义一个Java类，即完全替换一个 Java类的字节代码；另外一种是转换已有的Java类，相当于前面提到的类字节代码增强。还是以
前面提到的输出方法执行日志的场景为例，首先需要实现 java.lang.instrument.ClassFileTransformer接口来完成对已有Java类的转换:
static class MethodEntryTransformer implements ClassFileTransformer {
public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class classBeingRedefined, ?ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
try {
ClassReader cr = new ClassReader(classfileBuffer);
ClassNode cn = new ClassNode();
//省略使用ASM进行字节代码转换的代码
ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
cn.accept(cw);
return cw.toByteArray();
} catch (Exception e){
return null;
}
}
}public static void premain(String args, Instrumentation inst) {
inst.addTransformer(new MethodEntryTransformer());
}