JVM系列：几张图看懂Java字节码

作为一个java程序员，如果你不懂字节码的话，你只能算是初级程序员了。

这可不是耸人听闻。了解字节码你才能真正了解包括“动态代理的原理”、“类加载的细节过程”、“重载和重写是如何实现的”、“多态是如何实现的”、“泛型究竟是什么”等等。

了解这些对你的工作有实际的意义：

比如，开发时碰到问题，需要确定一个jar包是不是最新的（开发时我们经常使用一个SNAPSHOT版本反复打包）。

比如，你在工具组，要开发一个动态修改运行中的类的工具。

比如，你碰到大厂高阶一些的面试，尤其是偏底层的团队。

比如，你碰到各种诡异的包括类找不到、方法找不到、java版本错误无法解析类等问题。

了解字节码就仿佛给了你另一双眼睛和更高纬度的视角，来应对各种java相关的工作。

话不多说，我们这就开始。

1、Java代码从编写到运行

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如图所示，我们写好的java代码会先编译成字节码，然后JVM会加载这些字节码并执行其中的命令，也就是将字节码翻译为机器码执行。

这里有两个重点：

1）其他语言写的代码，如果可以翻译成标准的java字节码，一样可以在JVM中运行、事实上，有一些语言已经可以这么做了（包括Groovy、JRuby、Scala、Clojure、Kotlin等）。这是字节码技术面向未来的最大卖点，也是JVM的宏大愿景。

2）如果我们改变了编译出来字节码，其实就改变了逻辑。不需要去改原来的java代码。

2、字节码怎么看

下面我们用一个例子来看看字节码到底是什么，长啥样。

public class Calculator {
    private static final int offset = 100;


    public int add(int x, int y) {
        int z = x + y;
        int m = z - offset;
        return m;
    }
}

这段逻辑很简单。我定义了一个Calculator类，它有一个add方法，就是传入两个数值参数，把他们相加后再减去一个固定值offset，然后返回。

我们使用javac命令编译后，得到如下文件（十六进制）：

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这个class人肉读起来非常费劲。他有其固定的格式，你需要按照“说明书”一个字节一个字节翻译过来才行。

这里我不做详细的介绍，看了下图你基本上就能大致了解了。

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一般我们看编译后的文件，绝对不会直接看十六进制的。而是使用javap命令，将其转化为我们更容易看懂的格式。我们来执行下命令：

javap -verbose Calculator.class

得到如下这样的内容：

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不要着急，我来逐块分开和你讲讲。

3、字节码的含义

我们将字节码的内容分为三块来讲：类信息、常量池和方法表。

1）类信息

这里面的内容不多，也比较容易理解。

major version: 52说明这是一个使用java8编译出来的class。

flags：ACC_PUBLIC表示这个class是public的。ACC_SUPER在JDK1.2以后编译出来的类都会带上这个标志，这和JDK1.2以后invokespecial指令的变化有关。

2）常量池

常量池中保存着非常丰富的信息。包括：方法的符号引用、类的符号引用、字段或方法描述符、各种字符常量、各种基础类型字面量等等。你可以简单理解为各种你定义的类名称、属性名称、方法名称、常量以及系统自身需要的一些字面量，都会在这里定义。

下图是Calculator类的常量池数据，我做了一些标注，方便你的理解。

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常量池的第一列是“常量类型”，一共有十几种。每一种决定了第二列的数据格式。我这里就不详细贴图了。

常量池的第二列会有其他一些常量信息的引用，这些引用往往还是嵌套的。不过如图所示，每个复杂的常量后都有注解帮你拼接好了。

3）方法表

在Calculator类中，有两个方法。其中一个是我们定义的add方法，另一个则是默认构造函数。

【方法1 – 构造函数】

我们先来看下默认构造函数。和上面一样，我直接在图中做了说明，方便理解：

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【方法2 – add函数】

在介绍add方法前，我们要先简单介绍下JVM的执行引擎。

JVM的执行引擎称之为“基于栈的执行引擎”。也就是说，所有计算的中间结果都存在一个专门的栈中。与之相对应的就是历史更悠久的经典“基于寄存器的操作引擎”。

我们用一个 x + y * z 的例子，来看下两种操作引擎的差别。见下图

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可以看到，完全一样的代码，寄存器的每个指令都需要多个参数，而基于栈的操作指令只需要一条。这是因为寄存器需要指定数据从哪个寄存器中拿（cpu有十多个寄存器），但基于栈的操作指令只会涉及一个操作数栈，所以只需要声明出栈或者入栈即可。

下面就是 x + y * z 这条命令对应的字节码操作过程：

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介绍完这个后，我们就可以看下Calculator类中add方法的字节码内容了：

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到这里，我们就把字节码中主要的三块内容都讲完了。

4、字节码实践：直接修改字节码

既然我们了解了字节码的结构，我们就要实践一下直接定位并修改字节码，不然的话只是纸上功夫了。

我们写了个main函数来调用上面的Calculator类，这里把Main和Calculator类都贴一下：

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new Calculator().add(1, 2));
    }
}

public class Calculator {
    private static final int offset = 100;
    public int add(int x, int y) {
        int z = x + y;
        int m = z - offset;
        return m;
    }
}

我们编译并运行一下，得到如下结果：

$ javac com/codingbetterlife/justmylab/utils/*.java
$ java -cp . com.codingbetterlife.justmylab.utils.Main
-97

结果为 1 + 2 – 100 = -97

下面我来把add方法中的第7行通过字节码改成 int m = z + offset。

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修改后的class我们通过javap反编译后能看到，命令已经从isub变成了iadd。我们来运行下看看结果：

$ java -cp . com.codingbetterlife.justmylab.utils.Main
103

这次变成了 1 + 2 + 100 = 103。可以看到，我们并没有重新编译，所以你只要找对地方修改正确，就可以直接改变代码逻辑了。

5、结尾

当然，我并不鼓励你去修改线上的class。你也看到了，十六进制的代码是非常容易改错的。上面这个例子更多的是帮你理解java的字节码。

看了上面的内容，我不知道你是否联想到了Spring中的AOP。事实上Cglib就是通过直接修改字节码的方式来实现切面的。这点我相信你准备面试的时候肯定已经知道了，但是通过上面的内容，我相信你肯定有更深的理解了。

但事实上，更重要的话题是，要如何方便地修改字节码（不直接修改十六进制文件），这是我们下面一篇JVM系列文章会给大家介绍的内容。

此外，这些都只是编译过程中“耍的小花招”，如何重载一个运行时的类是更有意思的话题。虽然现在很多热部署方案存在各种各样的问题，从而大家都还是信赖静态编译后重新部署，但是了解对运行时类的修改和重载，是极有意义的，尤其是开发过程中。

本文转载自微信公众号「 CodingBetterLife」，作者「 赵志强 」，可以通过以下二维码关注。

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