Java源代码和字节代码操作

Java虚拟机平台代码的编译，运行流程：

1、用户编写、或运行时动态编译 => Java源代码

2、javac、或使用工具动态创建  => Java字节码

3、Java字节码在被虚拟机执行前，修改代码内容来改变程序行为。

一、Java字节代码格式

大部分Java源代码在编译之后生成，保存在class文件中。（当然字节代码也可以通过网络从远程服务器下载，或运行时动态生成）

字节代码准确来说是包含单个Java类或借口定义的字节流，通常用byte[]来标示。

字节代码的一般格式：

1、所有类和借口都用全名表示，并且用”/”代替“.”。 java.lang.String => java/lang/String

2、基本类型用一个字符表示。B（byte）、C（char）、D（double）、F（float）、I（int）、J（long）、S（short）、Z（boolean）

3、数组类型，在元素类型前加上“[”，“[”的个数表明维度。[[D： 一个double类型的二维数组。

4、方法，格式为“（参数类型）返回值类型”（返回值void, 用V表示）。int calculate(String str) => （Ljava/lang/String）I。

注：字节代码是以个连续的字节流，每个部分含义不同，在解析时，需要识别出不同内容的字节数据之间的边界（数据有定长和不定长之分），具体细节可以翻阅周志明的《深入理解Java虚拟机》。

二、动态编译Java源代码

一般源代码是程序员事先写好，然后通过编译器转换为字节代码去执行。

动态编译源代码，可以把编译和运行两个过程同一起来，都在运行时完成，为程序增加了运行时动态修改其行为的能力。（相对于修改字节码，修改源代码更容易理解）

动态编译源代码的场景一般比较简单：

对于一个Java源文件，在运行时使用API编译出字节代码，再通过类加载器加载到虚拟机中，使用Java反射API调用。

源代码可能来自磁盘，或远程服务器。

1、使用javac，最直接最简单（虽然大多时候是作为命令行工作使用，但通过Java标准库提供的创建底层操作系统上进程的能力，可以在运行时动态调用）

public class JavaCompiler{
   public void compile(Path src,Pathoutput)throws CompileException{
      ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("javac.exe", src.toString(), "-d", output.toString());
      try{
         pb.start();
      }catch(IOException e){
         throw new CompileException(e);
      }
   }
}

注：使用javac的不足在于输入和输出只能是文件，另外，使用外部进程方式的性能也比较低。

javac工具也提供了编程接口程序直接调用，相对于外部进程，可移植性和性能更好。

public void compile(Path src, Path output) throws CompileException{
   String[] args = new String[] (src.toString(), "-d", output.toString());
   try{
      PrintWriter out = new PrintWriter(Paths.get("output.txt".toFile());
      com.sun.tools.javac.Main.compile(args, out);
   }catch(FileNotFoundException e){
      throw new CompileException(e);
   }
}

注：com.sun.tools.* 都是Oracles的私有实现，将来可能发生变化，从而造成维护上的问题。

2、Java编译器API
JavaSE 6 开始，Java编译器相关API以JSR 199的形式规范了下来，使用编译器API可以对编译过程进行更加精细的控制。

public class JavaCompilerAPICompiler{
   public void compile(Path src, Path outpu) throws IOException{
      JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();//得到当前Java平台上默认的编译器实现。
	//JavaFileManager 负责在编译过程中对Java源代码和字节代码文件的管理
      try(StandardJavaFileManager fileManager = compiler.getStandardFileManager(null,null,null)){
	 //FileObject是编译器API中对所从操作的对象来源进行了抽象，可以表示磁盘文件，内存对象和数据库中的数据等，主要用于获取来源信息和读写操作
	 //JavaFileObject继承自FileObject
         Iterable<? extends JavaFileObject> compilationUnits = fileManager.getJavaFileObjects(src.toFile());
         Iterable<String> options = Arrays.asList("-d", output.toString());
         CompilationTask task = compiler.getTask(null , fileManager, null, options, null, compilationUnits);
         boolean result = task.call();
      }
   }
}

注：编译器API相比javac工具，重要优势在于Java源代码的存在不限于文件形式。

JavaFileObject接口的实现对象可以作为源代码的来源。在实现JavaFileObject接口时，比较好的做法是继承已有的javax.tools.SimpleJavaFileObject类。

例子：从字符串创建出JavaFileObject接口的实现对象。

public class StringSourceJavaFileObject extends SimpleJavaFileObject{
   private String content;
   public StringSourceJavaFileObject(String name, String content){
      super(URI.create("String:///" + name.replace('.','/') + Kind.SOURCE.extension), Kind.SOURCE);
      this.content = content;
   }
   public CharSequence getCharContent(boolean ignoreEncodingErrors) throws IOException {
      return content;
   }
}

例子：编写一个Java程序来计算带括号的四则运算表达式的值

（1、解析String，很费力；2、使用脚本语言支持API；3、使用Java编译器API，把表达式作为Java方法的内容）

public class Calculator extends ClassLoader{
   public double calculate(String expr) throws Exception{
      String className = "CalculatorMain";
      String methodName = "calculate";
      String source = "public class " + className + " {public static double " + methodName + "(){ return " + expr + ";}}";
      JavaCompiler compiler = ToolProvider.getSystemJavaCompiler();
      StandardJavaFileManager fileManager = compiler.getStandardFileManager(null, null, null);
      JavaFileObject sourceObject = new StringSourceJavaFileObject(className, source);
      Iterable<? extends JavaFileObject> fileObjects = Array.asList(sourceObject);
      Path output = File.createTempDirectory("calculator");
      Iterable<String> options = Arrays.asList("-d", output.toString());
      CompilationTask task = compiler.getTask(null, fileManager, null, options, null, fileObjects);
      boolean result = task.call();
      if(result){
         byte[]  classData = Files.readAllBytes(Paths.get(output.toString(), className + ".class"));
         Class<?> clazz = defineClass(className, classData, 0, classData.length);
         Method method = clazz.getMethod(methodName);
         Object value = method.invoke(null);
         return (Double) value;
      }else{
         throw new Exception("无法识别的表达式")
      }
   } 
}

动态生成的Java源代码的内容示例：

public class CalculatorMain{
   public static double calculate(){
      return (3+2) * 5;
   }
}

注：Java编译API为编译源代码提供了规范的API，但能力有限，更强大的有 Eclipse JDT编译器（Java development tools），变成接口更丰富。

三、字节代码增强

在某些情况下，可能无法获得相关的源代码，而只得到二进制的字节代码，如果希望对字节代码进行处理，需要用到字节代码增强技术。

可以选择轻量级的ASM或AspectJ等。

四、注解

注解（annotation）是J2SE5.0引入的对Java所做的重要修改之一。

1、注解声明使用的事“@interface”

2、注解不能添加泛型声明，也不能使用extends来继承自另外的接口，所有注解都隐式继承自java.lang.annotation.Annotation。

3、元注解（java.lang.annotaion.Target）声明注解可以用的范围，

TYPE（类型声明），ANNOTATION_TYPE（注解类型声明），PACKAGE（包声明），CONSTRUCTOR（构造方法），FIELD（域），METHOD（方法），PARAMETER（方法参数），LOCAL_VARIABLE（方法中局部变量）。

4、元注解（java.lang.annotaion.Rentention），表示注解的保留策略， 默认为CLASS。

SOURCE（只存在源文件中），CLASS（字节代码中），RUNTIME（字节代码中，并且运行时可用，可以通过反射API来获取注解相关信息）

注：局部变量的注解在任何情况下都不会保留在字节代码中。

5、元注解（java.lang.annotation.Inherited），表示注解类型对应的注解声明是可以被继承的。

Java标准库提供了几个一般的注解：

a、java.lang.Override

b、java.lang.Deprecated

c、java.lang.SuppressWarnings

6、创建注解类型

@Target({ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.SOURCE)
public @interface Author{ 
   String name();
   String email();
   boolean enableEmailNotfication() default true;
}

// 如果注解类型只包含一个元素，使用value作为该元素名称，在使用时可以省略。
@Target(ElementType.TYPE)
public @interface Employee{
   enum EMPLOYEE_TYPE {REGULAR, CONTRACT};
   EMPLOYEE_TYPE value();
}

@Target(ElementTYPE.TYPE)
public @interface WithArrayValue{
   String name();
   Class<?> [] appliedTo();
}

7、使用注解类型

@Author(name="Alex", email = "[email protected]")
public class MyClass{
}

@Employee(EMPLOYEE_TYPE.REGULAR)
public class AnotherClass{
}

@WithArrayValue(name="Test",appliedTo = {String.class, Integer.class})
public class ArrayClass{
}

8、处理注解
处理直接通常有两种方式：在编译时、或在运行时。

J2SE 5.0使用的apt工具和Oracle私有的Mirror API工具已经在JavaSe 7中被声明为 废弃。

J2SE 6.0引入了Pluggable Annotaion Processing API，对注解处理机制进行了标准化。

a、分析注解，比如统计一个有多少个类加载了某个注解。（编译时）

b、根据注解，创建和修改源代码（运行时）

c、使用反射处理注解（运行时）

典型的场景：把注解、反射API和动态代理结合起来。注解用来设置运行时的行为，反射API用来解析注解，动态带来负责应用的具体行为。

例子：权限管理

@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Role{
   String[] value();
}

public interface EmployeeInfoManager{
   @Role("manager")
   public void updateSalary();
}

public class EmployeeInfoManagerFactory{
   private static class AccessInvocationHandler<T> implements InvocationHandler{
      private final T targetObject;
      public AccessInvocationHandler(T targetObject){
      this.targetObject = targetObject;
   }
   public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable{
      Role annotation = method.getAnnotation(Role.class);
      if(annotation != null){
         String[] roles = annotation.value();
         String currentRole = AccessManager.getCurrentUserRole();
         if(!Arrays.asList(roles).contains(currentRole)){
            throw new RuntimeException("没有调用此方法的权限。")
         }
      }
      return method.invoke(targetObject, args);
   }

   public static EmployeeInfoManager getManager(){
      EmployeeInfoManager instance = new DefaultEmployeeInfoManager();
      return (EmployeeInfoManager)Proxy.newProxyInstance(instance.getClass().getClassLoader(), new Class<?>{EmployeeInfoManager.class},new AccessInvocationHandler<EmployeeInfoManager>(instance));
   }
}