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理解JVM字节码，做点有意的事儿

news 来源：原创 2024/5/4 21:30:36

作者：侯树成

来源：Tomcat那些事儿

JVM 字节码，做为虚拟机执行的指令，对于平时做 Java 应用开发来说，一直像蒙着一层神秘面纱，朦朦胧胧。

但其实理解了字节码指令，对于 Java 虚拟机的工作原理，对于基于「栈」的指令执行，对于一些 JVM 的新特性、语法都能更好的理解本质。

一般英文文章中介绍一些深入底层原理的时候，都喜欢用这个词：「under the hood」，本意是指汽车等引擎盖下，后来引申为一些底层原理。

什么是字节码？

Java 虚拟机的指令由一个字节长度的操作码（opcode）和紧随其后的可选的操作数（operand）构成，如下所示。

<opcode> [<operand1>, <operand2>]

比如将整型常量 100 压栈到栈顶的指令是 bipush 100，其中 bipush 是操作码，100 是操作数。字节码（bytecode）名字的由来是操作码的长度用一个字节表示。因为操作码长度只有一个字节长度，这使得编译后的字节码文件非常小巧紧凑，但也直接限制整个 JVM 操作码指令集的数量最多只能有 256 个，目前已经使用超过了 200 个。

大部分字节码指令是与类型相关的，比如 ireturn 指令用于返回一个 int 类型的数据，dreturn 指令用于返回一个 double 类型的数据，freturn 指令用于返回一个 float 类型的数据，这也使得字节码实际的指令类型远小于 200 个。

字节码使用大端序（Big-Endian）表示，即高位在前，低位在后的方式，比如字节码getfield 00 02，表示的是 getfiled 0x00<<8 | 0x02（getfield #2)。

字节码并不是某种虚拟 CPU 的机器码，而是一种介于源码和机器码中间的一种抽象表示方法，不过字节码通过 JIT（Just In Time）技术可以被进一步编译成机器码。

根据字节码的不同用途，字节码指令可以大概分为如下几类：

加载和存储指令，比如 iload 将一个整型值从局部变量表加载到操作数栈；
控制转移指令，比如条件分支 ifeq；
对象操作，比如创建类实例的指令 new；
方法调用，比如 invokevirtual 指令用于调用对象的实例方法；
运算指令和类型转换，比如加法指令 iadd；
线程同步，比如monitorenter 和 monitorexit 这两条指令用于支持 synchronized 关键字的语义；
异常处理，比如 athrow 显式抛出异常。

字节码是运行在 JVM 上的，为了能弄懂字节码，需要对 JVM 的运行原理有所了解。

而掀开JVM的盖，字节码指令也可以说是很重要的一部分了。理解了它，对于一些 ORM 框架等做的编译时的(Enhance)字节码增强，你就能知道他到底干了什么。

理解了字节码指令之后，可能就会抱怨其使用的繁琐。而ASM、Javassist 等工具就是免去你重新搬砖盖房子的，直接以更方便的API提供给用户，免除了手工解析的苦恼。

理解和掌握了 JVM 字节码，除了偶尔编辑和分析一下 class 文件，少数情况下通过ASM等增加或修改些指令外，其实还能做不少有意思的事儿。像类的加载时增强，Agent attach、Instrument实现类的 transform，运行时的retransform等...

如果想对JVM有更深次的理解，推荐阅读：《深入理解 JVM字节码》，本书分为字节码原理篇和应用篇。

第一部分是关于 class 文件的结构、字节码的工作原理、 Javac的编译原理，以及 ASM、Javassist工具的使用做了细致的介绍。此外还包含对于 Java Instrumentation 的原理，Lombok 这种 JSR 269的插件化注解的处理原理等也有介绍。

第二部分介绍了一些比较有意思的实战思路和尝试。像字节码在 Dubbo 通过Javassist实现动态代理的应用、在 JaCoCo中对于代码覆盖率的实现。如果这些你觉得老生常谈，那软件的破解和防破解可能会让你耳目一新。

我们知道 Java 的 class 虽然经过了编译，但通过反编译工具可以轻松的查看源码，甚至不差分毫。所以书里对于破解提到了直接修改class 文件和通过 Java agent 的无痛破解两种方式。所以对于Java 应用，通过反编译能很快的了解到软件的实现思路，甚至对于商业软件会面临盗版、破解的风险。

不知攻怎么知道防，理解了破解的方式，对于书中介绍的混淆和通过自定义类加载器来加载加密的 class文件防，都是不错的思路。

另外，现在分布式应用、微服务系统越来越流行，给对应的分析和监控带来了不小的挑战，书中全链路分布式跟踪、通过ASM 操作字节码，实现 APM 工具，进行应用的性能分析、诊断等，都有借鉴意义。