一起来学ASM字节码插桩:从分析class文件结构开始

文章目录

      • Class字节码
        • class字节码构成
      • 类型描述符
        • 基本类型描述符
        • 非数组的引用类型
        • 数组引用类型
      • 方法描述符
      • OpCode 操作码
        • 类操作码
        • 字段操作码
        • 方法操作码
        • 加载、存储等操作
        • 计算相关操作码
        • 其他
      • 示例

Class字节码

Java 能做到 一次编译,到处运行,主要就是靠 class字节码 文件,也就是 java 文件经过编译之后 .java -> .class,然后再被 JVM 虚拟机加载。其实,不仅是 java 语言,只要是符合规则的 class 字节码文件,都可以被 JVM 加载,如 Grooy、Kolin 语言:
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有了 class 字节码,也就解除了 VM虚拟机编程语言之间的耦合性。不管什么语言,只要是能编译成符合规则的字节码文件,就可以被 VM虚拟机 识别并加载到内存中

class字节码构成

class字节码 中由无符号数两种数据结构组成。

  • 无符号数:基本数据类型,u1、u2、u4、u8分别表示1、2、4、8个字节的无符号数,无符号数可以用来表示数字、索引引用、数量只或者字符串(UTF-8编码)。
  • 表:由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型,class文件中所有的表都以“_info”结尾。所以,整个 Class 文件可以认为就是一张表。
package org.ninetripods.lib_bytecode.asm.coreApi;

public class Test {
    private int num = 0;

    public void addNum() {
        num++;
        System.out.println("num:" + num);
    }

    public static int staticAdd(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

经过javac编译之后,会生成Test.class字节码文件,用010 Editor打开这个文件:

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使用 javap -c xxx.class命令可以 输出分解后的 java字节码

public class org.ninetripods.lib_bytecode.asm.coreApi.Test {
  public org.ninetripods.lib_bytecode.asm.coreApi.Test();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: aload_0
       5: iconst_0
       6: putfield      #2                  // Field num:I
       9: return

  public void addNum();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2                  // Field num:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2                  // Field num:I
      10: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      13: aload_0
      14: getfield      #2                  // Field num:I
      17: invokedynamic #4,  0              // InvokeDynamic #0:makeConcatWithConstants:(I)Ljava/lang/String;
      22: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      25: return

  public static int staticAdd(int, int);
    Code:
       0: iload_0
       1: iload_1
       2: iadd
       3: ireturn
}

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上述文件中描述了Test.class加载到内存时的执行顺序,包括各种描述符及操作码,接下面就来看一下。

类型描述符

基本类型描述符

每个基本类型都对应一个字母,如下:

基本类型 描述符
byte B
short S
int I
long J
float F
double D
char C
boolean Z
void V

非数组的引用类型

L + 全限定名,示例:

注:全限定名用于描述class类的名称,实际上就是把平时Java类名称中的"."换成了"/",如Java的祖先类java.lang.Object全限定名是:java/lang/Object

数组引用类型

[ + 数组内类型的描述符,示例:

int[] -> [I

String[][] -> [[Ljava/lang/String;

方法描述符

方法描述符用于class字节码文件中保存参数类型列表和返回值的方式。
方法描述符规则:

  • (参数列表)+ 返回值
  • 参数类型都为类型描述符
  • 参数列表中如果有多个参数,直接排列即可,不需要用逗号隔开

示例:

void test() -> ()V
void test(int i) -> (I)V
void test(String s, int i) -> (Ljava/lang/StringI)V

int[] test(double[], boolean) -> ([DZ)[I

OpCode 操作码

OpCode用于VM虚拟机解释运行Java程序,每个操作码都可以用来表示一个指令。如0x62是一个十六进制数,表示两个float类型的数相加。在ASMorg.objectweb.asm.OpCodes类中可以找到: int FADD = 98ASM中是用十进制表示的,除此之外,其他操作码指令都可以在这个类中找到。

类操作码

  • new 创建对象时使用,如new String()对应 mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/String") ,返回一个指定类型的对象。
  • instanceof 表示是否为指定类的对象,如 obj instanceof String 对应 mv.visitTypeInsn(INSTANCEOF, "java/lang/String"),返回一个布尔值结果。
  • checkcast ,用于检查对象的类型,如 (String) obji 对应 mv.visitTypeInsn(CHECKCAST, "java/lang/String"),返回类型检查后的对象。

注:上述的mv指的是MethodVisitorASM Core Api中的类,后面的文章会详细介绍),主要用于操作遍历、修改方法时使用。

字段操作码

  • getfield 用于获取非静态字段的值,对应ASM中的GETFIELD,如mv.visitFieldInsn(GETFIELD, xxxx)
  • putfield 用于修改非静态字段的值,对应ASM中的PUTFIELD,如mv.visitFieldInsn(PUTFIELD, xxxx)
  • getstatic 用于获取静态字段的值,对应ASM中的GETSTATIC,如mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, xxxx)
  • putstatic 用于修改静态字段的值,对应ASM中的PUTSTATIC,如mv.visitFieldInsn(PUTSTATIC, xxxx)

方法操作码

  • invokevirtual 用于调用非静态方法,它是一种动态分派的调用指令,即引用类型并不能决定方法属于哪个类型。一般可以被重写的方法就用invokevirtual
  • invokespecial 用于调用非静态方法,主要用于方法、私有方法、super.method()。因为这三类方法的调用对象在编译时就可以确定。。调用方式如mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "equals", "(Ljava/lang/Object;)Z", false);
  • invokestatic 用于调用 static 静态方法。
  • invokeinterface 用于调用接口实例方法,如mv.visitMethodInsn(INVOKEINTERFACE, "java/util/List", "size", "()I", true);
  • invokedynamic

加载、存储等操作

虚拟机栈
虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程
每一个栈帧中又包含了以下信息:

  • 局部变量表:表长度在编译阶段确定。调用方法时传递的参数,以及在方法内部创建的局部变量都保存在局部变量表中。
  • 操作数栈:也称为操作栈,是一个后入先出栈(LIFO),操作数栈的深度也是在编译阶段确定。当一个方法刚开始执行时,这个方法的操作数栈是空的,在方法执行过程中,会有各种字节码指令被压入和弹出操作数栈。
  • 动态链接:主要是为了支持方法调用过程中的动态连接。比如在一个方法中去调用其他方法。
  • 返回地址:用来帮助当前方法恢复它的上层方法执行状态。

更详细的流程参见:Java内存模型、GC Roots可达性分析、垃圾回收机制

下面的加载、存储相关操作都与操作数栈、本地变量表有关。

  • xload & xload_n (x = a/i/l/f/d, n表示加载对象的位置)

a 表示对象,I表示int, l表示long, f表示float, d表示double, b表示byte, c表示char, s表示short。
加载字节码,如aload_0,对应ASM中的mv.visitVarInsn(ALOAD, 0);

  • xstore & xstore_n (x = a/i/l/f/d,n表示加载对象的位置)

a 表示对象,I表示int, l表示long, f表示float, d表示double, b表示byte, c表示char, s表示short。
存储对象,如astore_1,对应ASM中的mv.visitVarInsn(ISTORE, 1);

  • xreturn (x = a/i/l/f/d) 返回操作码
    返回操作码会将栈顶元素返回(返回某一对象或基本数据类型),并清空操作数栈。如:

mv.visitInsn(ARETURN); //对应某一对象(非基本类型)
mv.visitInsn(RETURN); //无返回,对应void方法

  • dup 复制栈顶数据的操作码
    用于复制栈顶元素并插入到栈中的操作码,可以节省xloadxstore的使用量。对应ASM中的DUP,mv.visitInsn(DUP);DUP后紧接着的数字代表了复制数量,Xn代表插入到栈顶下第几层。如:
1、 DUP
输入: d3 d2 d1
输出:到d3 d2 d1 d1

2、DUP2_X1
输入:d3 d2 d1
输出:d3 d2  d2 d1 d1
  • pop pop2 弹出栈顶操作码
    用于栈操作的,比如调用了一个有返回值的方法,但是该返回值并不需要,可以使用POP。如:mv.visitInsn(POP)
  • swap 交换操作码
    可以操作交换栈顶的两个操作数。
  • ldc & ldc_w & ldc2_w 读取常量池常量的操作码
  • bipush & sipush 整数常量操作码

bipush,属于byte范围(-128~127)
sipush,属于short范围(-32768~32767)

对应ASM中:
mv.visitIntInsn(BIPUSH, 100);
mv.visitIntInsn(SIPUSH, 1000);

计算相关操作码

  • xneg、xadd、xsub、xmul 、xdiv、xrem、iinc(iinc_w)
    分别为取反、加法、减法、乘法、除法、取余、自增操作法。
  • xand、xor、xxor、xshl、xshr、xushr
    按位且、按位或、按位异或、按位左移、按位右移、按位无符号右移操作符。
  • x2f(x=i/l/d)、x2d(x=i/l/f)、x2i(x=d/l/f)、x2l (x=i/d/f)、i2x(x=b/c/s)
    分别为转化为float、转换为double、转换为int、转换为longint转换为(b/c/s)的操作码。其中b/c/s的取值范围:byte(-128 ~ 127)、short(-32768 ~ 32767)和char(0 ~ 65535)

其他

  • monitorenter/monitorexit 尝试加锁的操作码,两个必须成对使用,作用与引用类型对象上。如mv.visitInsn(MONITORENTER); mv.visitInsn(MONITOREXIT);
    注:如果使用的是ACC_SYNCHRONIZED尝试加锁,则不再需要手动对自身对象或类加锁,会自动加锁及释放锁。
  • athrow 用于将一个Throwable异常对象抛出,如mv.visitInsn(ATHROW);

示例

  • new String(“Hello”)
 methodVisitor.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/String");
 methodVisitor.visitInsn(DUP);
 methodVisitor.visitLdcInsn("Hello"); //将入参Hello放到操作数栈中,下面调用构造方法时传入
 methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/String", "", "(Ljava/lang/String;)V", false);

注意,NEW操作码指令只会创建对象,不会调用构造函数;如果想调用构造函数进行初始化,须用上面INVOKESPECIAL指令。

你可能感兴趣的:(字节码插桩,class字节码,ASM,OPcode操作码,字节码文件)