Java字节码简单介绍

首先了解一下理论知识:

字节码:

Class文件是8位字节流,按字节对齐。之所以称为字节码,是因为每条指令都只占据一个字节,所有的操作码和操作数都是按字节对齐的。如:0x03表示iconst_0

Class文件的头4个字节称为魔数(Magic Number),它的唯一作用是用于确认该文件是否是能被JVM接受的Class文件。魔数值为:0xCAFEBABE。

紧接着魔数的4个字节是Class文件的版本号:第5和第6字节是次版本号(Minor Version),第7和第8字节是主版本号(Major Version)。Java的版本号从45开始的,JDK6的版本号是50。

javap –verbose class文件,查看字节码内容

全限定名:把类全名中的“.”替换成“/”最后加入一个“;”表示结束。如com/test/TestClass;

描述符:基本类型及void用大写字符表示,对象类型用字符L加对象的全限定名表示。

标识字符 含义
B 基本类型byte
C char
D double
F float
I int
J long
S short
Z boolean
V void
L 对象类型,如Ljava/lang/Object;

 

对于数组类型,每一维度将使用一个前置的“[”字符来描述,如定义一个“java.lang.String[][]”类型的二维数组,将被记录为:“[[Ljava/lang/String;”,一个整型数组“int[]”将被记录为“[I”.

用描述符来描述方法时,按照先参数列表,后返回值的顺序描述,参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号“( )”之内,如方法void inc()的描述符为“( )V”,方法java.lang.String toString() 的描述符合为“( )Ljava/lang/String;”,方法int indexOf(char[] source, int sourceOffset,int sourceCount, char[] target, int targetOffset, int targetCount, int fromIndex)的描述符为“([CII[CIII)I”

类构造器“<clinit>”方法,实例构造器“<init>”

JVM中最基本的数据单元是字,字长必须足够大,至少一个字长足以持有byte、short、int等的值,2个字长足以持有long、double的值,字长可以选择32位或者64位。

字长是CPU的主要技术指标之一,指的是CPU一次能并行处理的二进制位数,字长总是8的整数倍,通常PC机的字长为16位(早期),32位,64位。

栈帧的2个部分:局部变量区和操作数栈,是按字来定义的。当把值放入局部变量区或者操作数栈时,它将占有1个或2个字单元。

每启动一个新线程,JVM都为它分配一个Java栈,Java栈以帧为单位保存线程的运行状态,JVM对Java栈执行2种操作:以帧为单位的压栈和出栈。

每当线程调用一个Java方法时,JVM会在线程的Java栈中压入一个新帧,而这个新帧也成了当前帧,当执行这个方法时,它使用这个帧来存储参数、局部变量、中间运算结果等数据。

Java方法有2种方式完成,一种通过return返回,一种通过抛出异常中止,不管那种方式,JVM都将当前帧弹出Java栈然后释放掉,这样上一个方法的帧就成为当前帧了。

Java栈上的所有数据都是此线程私有的,任何线程都不能访问另一个线程的栈数据,因此栈数据是线程安全的。

栈帧由3部分组成:局部变量区、操作数栈、帧数据区。

局部变量区和操作数栈是以字长(32位)为单位的数组。

局部变量区包含方法的参数和局部变量,编译器首先按把这些参数放入局部变量数组。Java栈帧的局部变量区被组织为一个以字长为单位,从0开始计数的数组。字节码指令通过从0开始的索引来使用其中的数据,如iload_1(把局部变量区的第2个变量压入栈顶),byte、short、int等的值在数组中只占据1项,而long、double的值在数组中占据连续的2项。

操作数栈:和局部变量区一样,操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组,但是它不是通过索引来访问,而是通过标志的栈操作:压栈和出栈来访问的。如iadd指令,从操作数栈中弹出2个整数,执行加法运算,然后将其结果压回操作数栈。

iload_0 //将局部变量区的第1个变量压入栈

iload_1 //将局部变量区的第2个变量压入栈

iadd   //栈中弹出2个整数,执行加法运算,然后将其结果压回操作数栈

istore_2 //将栈顶的整数出栈,并存入局部变量区的第3个变量

一般读取局部变量区的数据,需要把局部变量区的变量压入栈,

把值写到局部变量区,也需要先压入栈,再写到局部变量区

帧数据区:存放常量池(要访问的类、字段、方法名等),异常表等数据。

LineNumberTable:字节码偏移量与源代码之间的映射关系。

常见指令:iload_1, istore_1, iconst_1, ldc, bipush, pop, dup, iadd, isub, imul, idiv, return, goto,invoke…, new, newarray, arraylength, instanceof,athrow,monitorenter, monitorexit

然后用字节码了解一下JVM的语法糖:

语法糖:

泛型、自动装箱、自动拆箱、循环遍历、变长参数、条件编译、内部类、枚举类、断言语句、对枚举的switch

类型擦除:

public class TestCls3

{//编译失败,因为List<String>List<Integer>的泛型被擦除,变成原生类型List

    public static void method(List<String> list)

    {

        System.out.println(“invoke method1”);

    }

   

    public static void method(List<Integer> list)

    {

        System.out.println(“invoke method2”);

}

}

public class TestCls3

{//可以执行,因为在Class文件中,只有描述符不完全一致的两个方法就可以共存

//也就是说两个方法如果有相同的名称和特征签名,但返回值不同,也是可以共存在一个Class文件的

    public static String method(List<String> list)

    {

        System.out.println(“invoke method1”);

        return “”;

    }

   

    public static int method(List<Integer> list)

    {

        System.out.println(“invoke method2”);

        return 1;

    }

   

    public static void main(String[] args)

    {

        method(new ArrayList<String>());

        method(new ArrayList<Integer>());

    }

}

javap –verbose demo.TestCls3

Constant pool:

const #17 = Asciz       (Ljava/util/List<Ljava/lang/String;>;)Ljava/lang/String;

;

const #39 = Asciz       (Ljava/util/List<Ljava/lang/Integer;>;)I;

public static java.lang.String method(java.util.List);  //方法名擦除为List

  Signature: length = 0x2

   00 11   //指到常量池中的第17

public static int method(java.util.List);     //方法名擦除为List

  Signature: length = 0x2

   00 27   //指到常量池中的第39

类型擦除,仅仅对方法的Code属性中的字节码进行擦除,元数据Signature还是保留了泛型数据。(Method类的signature变量)

Java的条件编译

只有条件为常量且只有if语句才能有这种效果

public class TestCls5

{

    public static void main(String[] args)

    {

        if (true)

        {

            System.out.println(“true”);

        }

        else

        {

            System.out.println(“false”);

        }

    }

}

编译后的字节码只包含:System.out.println(“true”);

public class TestCls5

{

  public static void main(String[] args)

  {

    System.out.println(“true”);

  }

}

自增++操作的线程非安全:

public class TestCls5

{

    private static volatile int count;

    public static void main(String[] args)

    {

        count++;

    }

}

对应字节码(分为4个指令,在多线程下访问可能出现脏数据):

Code:

 0:   getstatic       #18; //Field count:I   获取指定类的静态域,并将其值压入栈顶

 3:   iconst_1                         将整型常量1压入栈顶

 4:   iadd                             将栈顶的2个值出栈并相加,然后将结果入栈顶

 5:   putstatic       #18; //Field count:I   为指定的类的静态域赋值

 8:   return                            方法返回

字符串的+操作(javac编译器会对String连接做自动优化):

public String constractStr(String str1, String str2, String str3)

    {

        return str1 + str2 + str3;

}

对应字节码(JDK1.5之后转换为调用StringBuilder.append方法):

  Code:

   0:   new     #24; //class java/lang/StringBuilder

   3:   dup

   4:   aload_1

   5:   invokestatic    #26; //Method java/lang/String.valueOf:(Ljava/lang/Objec

t;)Ljava/lang/String;

   8:   invokespecial   #32; //Method java/lang/StringBuilder.”<init>”:(Ljava/la

ng/String;)V

   11:  aload_2

   12:  invokevirtual   #35; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang

/String;)Ljava/lang/StringBuilder;

   15:  aload_3

   16:  invokevirtual   #35; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang

/String;)Ljava/lang/StringBuilder;  ――调用StringBuilder的append方法

   19:  invokevirtual   #39; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/l

ang/String;

   22:  areturn     ――返回引用

public String constractStr()

    {

        return “str1” + “str2” + “str3”;

}

对应的字节码:

Code:

 0:   ldc     #24; //String str1str2str3         –将字符串常量压入栈顶

 2:   areturn

public String constractStr(String str3)

    {

        return “str1” + “str2” + str3;

}

对应的字节码:

  Code:

   0:   new     #24; //class java/lang/StringBuilder

   3:   dup

   4:   ldc     #26; //String str1str2   –将字符串常量str1str2压入栈顶

   6:   invokespecial   #28; //Method java/lang/StringBuilder.”<init>”:(Ljava/la

ng/String;)V

   9:   aload_1

   10:  invokevirtual   #31; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang

/String;)Ljava/lang/StringBuilder;     ――调用StringBuilder的append方法

   13:  invokevirtual   #35; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/l

ang/String;

   16:  areturn

网友评论comments

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  1. Mao说道:

    现在开发的兄弟连Java源代码都不看,还会看这个?一声叹息。

    • XiaoMing说道:

      我恰好不怎么看源码,:)
      对这种倒是挺有兴趣,呵呵,经常用jclasslib之类的改改破解一下我们客户端, 比如license警告弹框太烦人把class文件中弹框的调用给删掉, 还有某些菜单禁用,改class文件给他打开……

      以前有个很老的java逆向的书,看的很有激情

  2. Lin说道:

    实际上Spring的AOP动态注入也是用的CGLib(封装了ASM),可以用ASM做一些小工具动态attach到进程上修改class,而不用重启进程

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