字节码插桩：从分析class文件结构开始

作者：小马快跑

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：

有了 class 字节码，也就解除了 VM虚拟机 与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 中由无符号数和表两种数据结构组成。如：

• 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。

示例：

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：

上述的字节码看上去有点乱，但其实是按顺序排列的，整理信息如下：

如我们常见的字节码文件都是以CAFEBABE开头，表示VM虚拟机要加载的是class字节码；紧跟着的0000表示的主副版本，再往后面的0037，用十进制表示为55，对应JDK 11等等。

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

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，接下面就来看一看它们。

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

使用L + 全限定名表示，示例：String -> Ljava/lang/String;

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

使用[ + 数组内类型的描述符表示，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复制代码

OpCode操作码指令

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ASM的org.objectweb.asm.OpCodes类中可以找到： int FADD = 98，ASM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MethodVisitor（ASM 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 用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，并执行该方法。

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。

下面的加载、存储相关操作都与操作数栈、局部变量表有关。通常程序需要将局部变量表的数据加载到操作数栈中，计算结束后再将结果存入局部变量表中。

• 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xload和xstore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：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（-128127） sipush，属于short范围（-3276832767） 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long、int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。

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Handler 机制实现原理部分：
1.宏观理论分析与Message源码分析
2.MessageQueue的源码分析
3.Looper的源码分析
4.handler的源码分析
5.总结

Binder 原理：
1.学习Binder前必须要了解的知识点
2.ServiceManager中的Binder机制
3.系统服务的注册过程
4.ServiceManager的启动过程
5.系统服务的获取过程
6.Java Binder的初始化
7.Java Binder中系统服务的注册过程

Zygote ：

1. Android系统的启动过程及Zygote的启动过程
2. 应用进程的启动过程

AMS源码分析 ：

1. Activity生命周期管理
2. onActivityResult执行过程
3. AMS中Activity栈管理详解

深入PMS源码：

1.PMS的启动过程和执行流程
2.APK的安装和卸载源码分析
3.PMS中intent-filter的匹配架构

WMS：
1.WMS的诞生
2.WMS的重要成员和Window的添加过程
3.Window的删除过程

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1. 开机Init 进程
2. 开机启动 Zygote 进程
3. 开机启动 SystemServer 进程
4. Binder 驱动
5. AMS 的启动过程
6. PMS 的启动过程
7. Launcher 的启动过程
8. Android 四大组件
9. Android 系统服务 - Input 事件的分发过程
10. Android 底层渲染 - 屏幕刷新机制源码分析
11. Android 源码分析实战