1,简介
ASM 是一个 Java 字节码操控框架。它能被用来动态生成类或者增强既有类的功能。ASM 可以直接产生二进制 class 文件,也可以在类被加载入 Java 虚拟机之前动态改变类行为。Java class 被存储在严格格式定义的 .class 文件里,这些类文件拥有足够的元数据来解析类中的所有元素:类名称、方法、属性以及 Java 字节码(指令)。ASM 从类文件中读入信息后,能够改变类行为,分析类信息,甚至能够根据用户要求生成新类。
与
BCEL
和 SERL 不同(ASM 提供了与 BCEL和SERP相似的功能,只有22K的大小,比起350K的BCEL和150K的SERP来说,是相当小巧的,并且它有更高的执行效率, 是BCEL 的7倍,SERP的11倍以上),ASM 提供了更为现代的编程模型。对于 ASM 来说,Java class 被描述为一棵树;使用 “Visitor” 模式遍历整个二进制结构;事件驱动的处理方式使得用户只需要关注于对其编程有意义的部分,而不必了解 Java 类文件格式的所有细节:ASM 框架提供了默认的 “response taker”处理这一切。
2,字节码&JVM
2.1什么是字节码
Java之所以可以“一次编译,到处运行”,一是因为JVM针对各种操作系统、平台都进行了定制,二是因为无论在什么平台,都可以编译生成固定格式的字节码(.class文件)供JVM使用。因此,也可以看出字节码对于Java生态的重要性。之所以被称之为字节码,是因为字节码文件由十六进制值组成,而JVM以两个十六进制值为一组,即以字节为单位进行读取。在Java中一般是用javac命令编译源代码为字节码文件,一个.java文件从编译到运行的示例如图1所示。
图1 Java运行示意图
对于开发人员,了解字节码可以更准确、直观地理解Java语言中更深层次的东西,比如通过字节码,可以很直观地看到Volatile关键字如何在字节码上生效。另外,字节码增强技术在Spring AOP、各种ORM框架、热部署中的应用屡见不鲜,深入理解其原理对于我们来说大有裨益。除此之外,由于JVM规范的存在,只要最终可以生成符合规范的字节码就可以在JVM上运行,因此这就给了各种运行在JVM上的语言(如Scala、Groovy、Kotlin)一种契机,可以扩展Java所没有的特性或者实现各种语法糖。理解字节码后再学习这些语言,可以“逆流而上”,从字节码视角看它的设计思路,学习起来也“易如反掌”。
2.2字节码结构
.java文件通过javac编译后将得到一个.class文件,比如编写一个简单的ByteCodeDemo类,如下图2的左侧部分:
图2 示例代码(左侧)及对应的字节码(右侧)
编译后生成ByteCodeDemo.class文件,打开后是一堆十六进制数,按字节为单位进行分割后展示如图2右侧部分所示。上文提及过,JVM对于字节码是有规范要求的,那么看似杂乱的十六进制符合什么结构呢?JVM规范要求每一个字节码文件都要由十部分按照固定的顺序组成,整体结构如图3所示。接下来我们将一一介绍这十部分:
图3 JVM规定的字节码结构
(1) 魔数(Magic Number)
所有的.class文件的前四个字节都是魔数,魔数的固定值为:0xCAFEBABE。魔数放在文件开头,JVM可以根据文件的开头来判断这个文件是否可能是一个.class文件,如果是,才会继续进行之后的操作。
有趣的是,魔数的固定值是Java之父James Gosling制定的,为CafeBabe(咖啡宝贝),而Java的图标为一杯咖啡。
(2) 版本号
版本号为魔数之后的4个字节,前两个字节表示次版本号(Minor Version),后两个字节表示主版本号(Major Version)。上图2中版本号为“00 00 00 34”,次版本号转化为十进制为0,主版本号转化为十进制为52,在Oracle官网中查询序号52对应的主版本号为1.8,所以编译该文件的Java版本号为1.8.0。
(3) 常量池(Constant Pool)
紧接着主版本号之后的字节为常量池入口。常量池中存储两类常量:字面量与符号引用。字面量为代码中声明为Final的常量值,符号引用如类和接口的全局限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符。常量池整体上分为两部分:常量池计数器以及常量池数据区,如下图4所示。
图4 常量池的结构
- 常量池计数器(constant_pool_count):由于常量的数量不固定,所以需要先放置两个字节来表示常量池容量计数值。图2中示例代码的字节码前10个字节如下图5所示,将十六进制的24转化为十进制值为36,排除掉下标“0”,也就是说,这个类文件中共有35个常量。
- 图5 前十个字节及含义
- 常量池数据区:数据区是由(constant_pool_count-1)个cp_info结构组成,一个cp_info结构对应一个常量。在字节码中共有14种类型的cp_info(如下图6所示),每种类型的结构都是固定的。
- 图6 各类型的cp_info
具体以CONSTANT_utf8_info