字节码

虚拟机实现的方式主要有以下两种：

• 将输入的Java虚拟机代码在加载时或执行时翻译成另一种虚拟机的指令集；
• 将输入的Java虚拟机代码在加载时或执行时翻译成宿主机处理程序的本地指令集（即即时编译器代码生成技术）。

Class 文件

• JVM所执行的二进制文件，跨平台的基础
• 满足这种规范的class文件都会被JVM加载运行
• 可以由其他语言编译生成
• 不同版本的JDK生成的类文件略有不同

构成

Class 文件中的所有字节存储都是使用大端序

Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，这种伪结构中只有两种数据类型：

• 无符号数：以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数
  • 以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值
• 表：由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型

反编译：

javap -v classname

魔数与 Class 文件版本

前4个字节为魔数，十六进制表示为0xCAFEBABE，标识该文件为class文件

第5、6字节表示次版本号（小更新） 第7和第8个字节是主版本号（从45开始，一个大版本加1）

常量池

常量池的入口放置了一项u2类型的数据，代表常量池容量计数值（constant_pool_count），这个数是从1开始

• 字面量：接近于Java语言层面的常量概念，如文本字符串、被声明为final的常量值等
• 符号引用
  • 被模块导出或者开放的包（Package）
  • 类和接口的全限定名（Fully Qualified Name）
  • 字段的名称和描述符（Descriptor）
  • 方法的名称和描述符
  • 方法句柄和方法类型（Method Handle、Method Type、Invoke Dynamic
  • 动态调用点和动态常量（Dynamically-Computed Call Site、Dynamically-Computed Constant）

访问标志

常量池结束之后的两个字节，描述该Class是类还是接口，以及是否被public、abstract、final等修饰符修饰

类索引、父类索引与接口索引集合

• 类索引与父类索引都是一个u2类型的数据
• 接口索引入口的第一项u2类型的数据为接口计数器

字段表集合

• 用于描述类和接口中声明的变量（包括类级以及实例级别）
• 第一部分为两个字节，描述字段个数；第二部分是每个字段的详细信息fields_info。

字段表结构：

字段访问标志，存放在access_flags里面：

name_index和descriptor_index分别代表着字段的简单名称以及字段和方法的描述符

• 简单名称则就是指没有类型和参数修饰的方法或者字段名称

描述符：

对于数组类型，每一维度将使用一个前置的[字符来描述，，如一个定义为“java.lang.String[][]”类型的二维数组将被记录成“[[Ljava/lang/String；”

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

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”

方法表集合

方法表的结构同字段表

方法访问标志：

方法里的Java代码，经过Javac编译器编译成字节码指令之后，存放在方法属性表集合中一个名为“Code”的属性里面

属性表集合

• Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以描述某些场景专有的信息

属性表结构：

1.Code属性

public int inc() {return m + 1;}

一个方法编译后：

public int inc();    descriptor: ()I    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC    Code:      stack=2, locals=1, args_size=1 //这里的方法虽然没有参数，但是参数数量为1,1就是this         0: aload_0         1: getfield      #2                  // Field m:I         4: iconst_1         5: iadd         6: ireturn      LineNumberTable:        line 4: 0

异常表：

2.Exceptions属性

列举出方法中可能抛出的受查异常（Checked Excepitons）

3.LineNumberTable属性

4.LocalVariableTable及LocalVariableTypeTable属性

LocalVariableTable属性用于描述栈帧中局部变量表的变量与Java源码中定义的变量之间的关系

local_variable_info项目代表了一个栈帧与源码中的局部变量的关联:

LocalVariableTypeTable。这个新增的属性结构与LocalVariableTable非常相似，仅仅是把记录的字段描述符的descriptor_index替换成了字段的特征签名（Signature）

5.SourceFile及SourceDebugExtension属性

SourceDebugExtension属性用于存储额外的代码调试信息:

类型 | 名称 | 数量|说明-- | --------------------------------- | --u2 | attribute_name_index | 1u4 | attribute_length | 1u1 | debug_extension[attribute_length] | 1|额外的debug信息

6.ConstantValue属性

通知虚拟机自动为静态变量赋值。

目前Oracle公司实现的Javac编译器的选择是，如果同时使用final和static来修饰一个变量（按照习惯，这里称“常量”更贴切），并且这个变量的数据类型是基本类型或者java.lang.String的话，就将会生成ConstantValue属性来进行初始化

7.InnerClasses属性

用于记录内部类与宿主类之间的关联

8.Deprecated及Synthetic属性

Deprecated属性用于表示某个类、字段或者方法，已经被程序作者定为不再推荐使用，它可以通过代码中使用“@deprecated”注解进行设置

Synthetic属性代表此字段或者方法并不是由Java源码直接产生的

属性结构：

9.StackMapTable属性

在编译阶段将一系列的验证类型（Verification Type）直接记录在Class文件之中，通过检查这些验证类型代替了类型推导过程，从而大幅提升了字节码验证的性能

10.Signature属性

一个可选的定长属性，可以出现于类、字段表和方法表结构的属性表中,用来记录泛型信息

11.BootstrapMethods属性

位于类文件的属性表中。这个属性用于保存invokedynamic指令引用的引导方法限定符

12.MethodParameters属性

一个用在方法表中的变长属性。MethodParameters的作用是记录方法的各个形参名称和信息

13.模块化相关属性

14.运行时注解相关属性

字节码指令

不考虑异常处理的字节码执行：

do {自动计算PC寄存器的值加1;根据PC寄存器指示的位置，从字节码流中取出操作码;if (字节码存在操作数) 从字节码流中取出操作数;执行操作码所定义的操作;} while (字节码流长度 > 0);

大部分与数据类型相关的字节码指令，它们的操作码助记符中都有特殊的字符来表明专门为哪种数据类型服务：i代表对int类型的数据操作，l代表long，s代表short，b代表byte，c代表char，f代表float，d代表double，a代表reference

oracle 官方 pdf

1. 基于寄存器的指令集
2. 基于栈的指令集Hotspot中的Local Variable Table = JVM中的寄存器

加载和存储指令

用于将数据在栈帧中的局部变量表和操作数栈之间来回传输

• 将一个局部变量加载到操作栈：iload、iload_<n>、lload、lload_<n>、fload、fload_<n>、dload、dload_<n>、aload、aload_<n>
• 将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：istore、istore_<n>、lstore、lstore_<n>、fstore、fstore_<n>、dstore、dstore_<n>、astore、astore_<n>
• 将一个常量加载到操作数栈：bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2_w、aconst_null、iconst_m1、iconst_<i>、lconst_<l>、fconst_<f>、dconst_<d>

iload_<n>代表了iload_0、iload_1、iload_2和iload_3这几条指令 这些指令都是iload的特殊形式，这些特殊的指令省略掉了操作数，但是语义同iload一样

运算指令

用于对两个操作数栈上的值进行某种特定运算，并把结果重新存入到操作栈顶

• 加法指令：iadd、ladd、fadd、dadd
• 减法指令：isub、lsub、fsub、dsub
• 乘法指令：imul、lmul、fmul、dmul
• 除法指令：idiv、ldiv、fdiv、ddiv
• 求余指令：irem、lrem、frem、drem
• 取反指令：ineg、lneg、fneg、dneg
• 位移指令：ishl、ishr、iushr、lshl、lshr、lushr
• 按位或指令：ior、lor
• 按位与指令：iand、land
• 按位异或指令：ixor、lxor
• 局部变量自增指令：iinc
• 比较指令：dcmpg、dcmpl、fcmpg、fcmpl、lcmp

类型转换指令

Java虚拟机直接支持（即转换时无须显式的转换指令）的宽化类型转换

窄化转换：i2b、i2c、i2s、l2i、f2i、f2l、d2i、d2l和d2f

对象/数组创建与访问指令

• 创建类实例的指令：new
• 创建数组的指令：newarray、anewarray、multianewarray
• 访问类字段（static字段，或者称为类变量）和实例字段（非static字段，或者称为实例变量）的指令：getfield、putfield、getstatic、putstatic
• 把一个数组元素加载到操作数栈的指令：baload、caload、saload、iaload、laload、faload、daload、aaload
• 将一个操作数栈的值储存到数组元素中的指令：bastore、castore、sastore、iastore、fastore、dastore、aastore
• 取数组长度的指令：arraylength
• 检查类实例类型的指令：instanceof、checkcast

操作数栈管理指令

直接操作操作数栈的指令

• 将操作数栈的栈顶一个或两个元素出栈：pop、pop2
• 复制栈顶一个或两个数值并将复制值或双份的复制值重新压入栈顶：dup、dup2、dup_x1、dup2_x1、dup_x2、dup2_x2
• 将栈最顶端的两个数值互换：swap

控制转移指令

有条件或无条件地从指定位置指令（而不是控制转移指令）的下一条指令继续执行程序，概念模型上理解，可以认为控制指令就是在有条件或无条件地修改PC寄存器的值

• 条件分支：ifeq、iflt、ifle、ifne、ifgt、ifge、ifnull、ifnonnull、if_icmpeq、if_icmpne、if_icmplt、if_icmpgt、if_icmple、if_icmpge、if_acmpeq和if_acmpne
• 复合条件分支：tableswitch、lookupswitch
• 无条件分支：goto、goto_w、jsr、jsr_w、ret

方法调用和返回指令

• invokevirtual指令：用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派（虚方法分派），这也是Java语言中最常见的方法分派方式。
• invokeinterface指令：用于调用接口方法，它会在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象，找出适合的方法进行调用。
• invokespecial指令：用于调用一些需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法和父类方法。
• invokestatic指令：用于调用类静态方法（static方法）。
• invokedynamic指令：用于在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法。并执行该方法。前面四条调用指令的分派逻辑都固化在Java虚拟机内部，用户无法改变，而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的

方法返回指令是根据返回值的类型区分的，包括ireturn（当返回值是boolean、byte、char、short和int类型时使用）、lreturn、freturn、dreturn和areturn，另外还有一条return指令供声明为void的方法、实例初始化方法、类和接口的类初始化方法使用

异常处理指令

• 显式抛出异常的操作（throw语句）都由athrow指令来实现
• 异常捕获现在则是使用了异常表的来完成

同步控制指令

1. ACC_SYNCHRONIZED 标志同步方法
2. MONITORENTER MONITOREXIT 标记临界区

ASM

ASM是一个通用的Java字节码操作和分析框架

• Core API
  • 不需要读取类的整个结构，使用流式的方法来处理字节码文件
  • 编程难度较大
• Tree API
  • 消耗内存多，但是编程比较简单
  • 通过各种Node类来映射字节码的各个区域

字节码增强

• java agent
  • premain：支持在main函数之前，对类的字节码进行修改/替换
  • agentmain：支持在程序运行过程中，对字节码进行替换

字节码混淆

• 使反编译的代码可读性变差
• ProGuard

javassist

• 生成类

ClassPool pool = ClassPool.getDefault();// 创建类CtClass userClass = pool.makeClass("wang.ismy.test.User");// 添加属性userClass.addField(CtField.make("private String name;",userClass));userClass.addField(CtField.make("private Integer age;",userClass));// 添加方法userClass.addMethod(CtMethod.make("public String getName(){return name;}",userClass));userClass.addConstructor(new CtConstructor(new CtClass[]{pool.get("java.lang.String"),pool.get("java.lang.Integer")},userClass));userClass.writeFile("./User.class");

• 修改类

ClassPool pool = ClassPool.getDefault();pool.appendClassPath(new ClassClassPath(Main.class));CtClass userClass = pool.get("wang.ismy.assist.User");userClass.getDeclaredMethod("getName").setBody("{return name + \"123\";}");Class<?> aClass = userClass.toClass();Object obj = aClass.newInstance();System.out.println(aClass.getMethod("getName").invoke(obj));

字节码的执行

1. 解释执行
2. 编译执行
3. JIT编译与解释混合执行

这样就造成机器在热机所承载的负载可能会比冷机的高

• -Xmixed 默认为混合模式
• -Xint 解释模式
• -Xcomp 纯编译模式

热点代码检测

• 多次被调用的方法 方法计数器
• 多次被被调用的循环 循环计数器

还有一种新的编译方式，即所谓的 AOT（Ahead-of-Time Compilation），直接将字节码编译成机器代码，这是 graalvm 所做的

代码优化

• 使用局部变量
• 减少重复计算
• 懒加载
• 异常对性能不利
• 避免创建导入不使用的对象和类
• 反射对性能不利
• 连接池和线程池有利于提高性能
• 容器初始化指定长度
• 不同的数据结构在不同操作下的性能表现不同
• 使用键值对遍历Map
• 不应手动调用GC
• 正则表达式对性能有影响
• 日志输出注意级别
• 资源close可以分开

实例-动态代理字节码生成

public class DynamicProxyTest {    public static void main(String[] args) {        System.getProperties().put("sun.misc.ProxyGenerator.saveGeneratedFiles", "true");        Run origin = new Run();        Runnable hello = (Runnable)Proxy.newProxyInstance(Run.class.getClassLoader(), new Class[]{Runnable.class}, new InvocationHandler() {            @Override            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {                System.out.println("hello");                return method.invoke(origin);            }        });        hello.run();    }}class Run implements Runnable{    @Override    public void run() {        System.out.println("world");    }}

这里newProxyInstance会生成这么样的一个代理类：

public final class $Proxy0 extends Proxy implements Runnable {    ...    public final void run() throws  {        try {            super.h.invoke(this, m3, (Object[])null);        } catch (RuntimeException | Error var2) {            throw var2;        } catch (Throwable var3) {            throw new UndeclaredThrowableException(var3);        }    }    ...}

生成的代理类run方法会调用我们写的InvocationHandler 我们的InvocationHandler又会执行一些附带逻辑并最后执行真实对象的方法

实例-Backport：回到未来

把高版本JDK中编写的代码放到低版本JDK环境中去部署使用。为了解决这个问题，一种名为“Java逆向移植”的工具（Java Backporting Tools）应运而生，Retrotranslator和Retrolambda是这类工具中的杰出代表

这些工具可以很好地移植下面两种情况：

1. 对Java类库API的代码增强
2. 在前端编译器层面做的改进。这种改进被称作语法糖

对于第一种情况 一些诸如只有高版本才有的类库移植工具可以很方便移植

但对于第二种情况，移植工具就需要通过修改字节码的方式来实现