奇門遁甲之字節(jié)碼與JVM指令
奇門遁甲之ASM操縱字節(jié)碼
奇門遁甲之Transform API

最近在研究ASM 字節(jié)碼增強(qiáng)技術(shù),要掌握ASM 必須要先連接Java字節(jié)碼結(jié)構(gòu)茎毁、JVM棧幀和常用JVM指令退疫。

本章就Java字節(jié)碼和JVM棧幀和JVM指令做一些梳理和整理加以沉淀，方便將來(lái)復(fù)習(xí)查閱万伤。

一肪笋、ByteCode字節(jié)碼

1.1月劈、字節(jié)碼碼結(jié)構(gòu)

Java代碼最終都會(huì)被編譯成class文件(字節(jié)碼),這些字節(jié)碼可以被JVM正確識(shí)別和解析。

JVM 對(duì)java字節(jié)碼有嚴(yán)格的規(guī)定,如下圖所示:

字節(jié)碼結(jié)構(gòu)圖.png

字節(jié)碼結(jié)構(gòu)示意圖

• Magic： 該項(xiàng)存放了一個(gè) Java 類文件的魔數(shù)（magic number）和版本信息藤乙。一個(gè) Java 類文件的前 4 個(gè)字節(jié)被稱為它的魔數(shù)猜揪。每個(gè)正確的 Java 類文件都是以 0xCAFEBABE 開頭的，這樣保證了 Java 虛擬機(jī)能很輕松的分辨出 Java 文件和非 Java 文件坛梁。
• Version： 該項(xiàng)存放了 Java 類文件的版本信息而姐，它對(duì)于一個(gè) Java 文件具有重要的意義。因?yàn)?Java 技術(shù)一直在發(fā)展划咐，所以類文件的格式也處在不斷變化之中拴念。類文件的版本信息讓虛擬機(jī)知道如何去讀取并處理該類文件。
• Constant Pool： 該項(xiàng)存放了類中各種文字字符串褐缠、類名政鼠、方法名和接口名稱、final 變量以及對(duì)外部類的引用信息等常量队魏。虛擬機(jī)必須為每一個(gè)被裝載的類維護(hù)一個(gè)常量池公般，常量池中存儲(chǔ)了相應(yīng)類型所用到的所有類型、字段和方法的符號(hào)引用器躏，因此它在 Java 的動(dòng)態(tài)鏈接中起到了核心的作用俐载。常量池的大小平均占到了整個(gè)類大小的 60% 左右。
• Access_flag： 該項(xiàng)指明了該文件中定義的是類還是接口（一個(gè) class 文件中只能有一個(gè)類或接口）登失，同時(shí)還指名了類或接口的訪問(wèn)標(biāo)志遏佣，如 public，private, abstract 等信息揽浙。
• This Class： 指向表示該類全限定名稱的字符串常量的指針状婶。
• Super Class： 指向表示父類全限定名稱的字符串常量的指針。
• Interfaces： 一個(gè)指針數(shù)組馅巷，存放了該類或父類實(shí)現(xiàn)的所有接口名稱的字符串常量的指針膛虫。
• Fields： 該項(xiàng)對(duì)類或接口中聲明的字段進(jìn)行了細(xì)致的描述。需要注意的是钓猬，fields 列表中僅列出了本類或接口中的字段稍刀，并不包括從超類和父接口繼承而來(lái)的字段。
• Fields： 該項(xiàng)對(duì)類或接口中聲明的字段進(jìn)行了細(xì)致的描述。需要注意的是账月，fields 列表中僅列出了本類或接口中的字段综膀，并不包括從超類和父接口繼承而來(lái)的字段。
• Class attributes： 該項(xiàng)存放了在該文件中類或接口所定義的屬性的基本信息局齿。

1.2剧劝、舉個(gè)栗子

以TestCost 為例

package com.sogou.iot.trplugin;

/**
 * 文件名:TestCost
 * 創(chuàng)建者:baixuefei
 * 創(chuàng)建日期:2021/1/21 9:52 AM
 * 職責(zé)描述:
 */


class TestCost {

    public int add(int a,int b) {
        return a+b;
    }
}

生成字節(jié)碼

javac -g TestCost.java

 -g 參數(shù)表示生成所有調(diào)試信息

生成TestCoast.class文件

查看字節(jié)碼的信息

javap -verbose TestCost.class

-verbose 表示輸出輸出附加信息

TestCost.class 解析后的信息

Classfile /Users/feifei/Desktop/TM/Demo/TrPlugin/app/src/main/java/com/sogou/iot/trplugin/TestCost.class
  Last modified 2021-1-24; size 401 bytes
  MD5 checksum 684202ea0bfc50a7d404275086566aaf
  Compiled from "TestCost.java"
class com.sogou.iot.trplugin.TestCost
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#18         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #19            // com/sogou/iot/trplugin/TestCost
   #3 = Class              #20            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               LocalVariableTable
   #9 = Utf8               this
  #10 = Utf8               Lcom/sogou/iot/trplugin/TestCost;
  #11 = Utf8               add
  #12 = Utf8               (II)I
  #13 = Utf8               a
  #14 = Utf8               I
  #15 = Utf8               b
  #16 = Utf8               SourceFile
  #17 = Utf8               TestCost.java
  #18 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #19 = Utf8               com/sogou/iot/trplugin/TestCost
  #20 = Utf8               java/lang/Object
{
  com.sogou.iot.trplugin.TestCost();
    descriptor: ()V
    flags:
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 13: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/sogou/iot/trplugin/TestCost;

  public int add(int, int);
    descriptor: (II)I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=3
         0: iload_1
         1: iload_2
         2: iadd
         3: ireturn
      LineNumberTable:
        line 16: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       4     0  this   Lcom/sogou/iot/trplugin/TestCost;
            0       4     1     a   I
            0       4     2     b   I
}
SourceFile: "TestCost.java"

TestCost.class文件如何解讀呢?這還需要先了解JVM的棧幀結(jié)構(gòu)

1.3、JVM棧幀

JVM中每調(diào)用一個(gè)方法 就會(huì)生成一個(gè)棧幀抓歼。棧幀中包含的內(nèi)容包括:局部變量表讥此、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接谣妻、和方法返回地址四部分萄喳。

image

棧幀是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和部分過(guò)程結(jié)果的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也用來(lái)處理動(dòng)態(tài)連接蹋半、方法返回值和異常分派取胎。
棧幀隨著方法調(diào)用而創(chuàng)建，隨著方法結(jié)束而銷毀——無(wú)論方法正常完成還是異常完成都算作方法結(jié)束湃窍。
棧幀的存儲(chǔ)空間由創(chuàng)建它的線程分配在Java虛擬機(jī)棧之中，每一個(gè)棧幀都有自己的本地變量表(局部變量表)匪傍、操作數(shù)棧和指向當(dāng)前方法所屬的類的運(yùn)行時(shí)常量池的引用您市。

1.3.1、局部變量表

局部變量表(Local Variable Table)是一組變量值存儲(chǔ)空間役衡，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)定義的局部變量茵休。局部變量表的容量以變量槽(Variable Slot)為最小單位，Java虛擬機(jī)規(guī)范并沒(méi)有定義一個(gè)槽所應(yīng)該占用內(nèi)存空間的大小手蝎，但是規(guī)定了一個(gè)槽應(yīng)該可以存放一個(gè)32位以內(nèi)的數(shù)據(jù)類型榕莺。
虛擬機(jī)通過(guò)索引定位的方法查找相應(yīng)的局部變量，索引的范圍是從0~局部變量表最大容量棵介。

在Java程序編譯為Class文件時(shí),就在方法的Code屬性中的max_locals數(shù)據(jù)項(xiàng)中確定了該方法所需分配的局部變量表的最大容量钉鸯。

 public int add(int a,int b) {
        return a+b;
    }

以add方法為例,其局部變量有幾個(gè)?a、b分別算一個(gè),類的實(shí)例方法通常還有有一個(gè)隱藏的參數(shù)就是this邮辽。所以add方法有三個(gè)參數(shù)唠雕，分別是this,a,b。
所以add方法堆棧對(duì)應(yīng)的局部變量表大小為3,如LocalVariableTable所示:

 public int add(int, int);
    descriptor: (II)I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=3
         0: iload_1
         1: iload_2
         2: iadd
         3: ireturn
      LineNumberTable:
        line 16: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       4     0  this   Lcom/sogou/iot/trplugin/TestCost;
            0       4     1     a   I
            0       4     2     b   I

1.3.2吨述、操作數(shù)棧

操作數(shù)棧(Operand Stack)也常稱為操作棧岩睁，它是一個(gè)后入先出棧(LIFO)。同局部變量表一樣揣云，操作數(shù)棧的最大深度也在編譯的時(shí)候?qū)懭氲椒椒ǖ腃ode屬性的max_stacks數(shù)據(jù)項(xiàng)中捕儒。

當(dāng)一個(gè)方法剛剛開始執(zhí)行時(shí)，其操作數(shù)棧是空的邓夕，隨著方法執(zhí)行和字節(jié)碼指令的執(zhí)行刘莹，會(huì)從局部變量表或?qū)ο髮?shí)例的字段中復(fù)制常量或變量寫入到操作數(shù)棧阎毅，再隨著計(jì)算的進(jìn)行將棧中元素出棧到局部變量表或者返回給方法調(diào)用者，也就是出棧/入棧操作栋猖。一個(gè)完整的方法執(zhí)行期間往往包含多個(gè)這樣出棧/入棧的過(guò)程净薛。

JVM指令

• load 命令：用于將局部變量表的指定位置的相應(yīng)類型變量加載到操作數(shù)棧頂；
• store命令：用于將操作數(shù)棧頂?shù)南鄳?yīng)類型數(shù)據(jù)保入局部變量表的指定位置蒲拉；
• invokevirtual:調(diào)用實(shí)例方法
• ireturn: 當(dāng)前方法返回int

a = b + c 的字節(jié)碼執(zhí)行過(guò)程中操作數(shù)棧以及局部變量表的變化如下圖所示

image

image

1.3.3肃拜、動(dòng)態(tài)連接

在一個(gè)class文件中，一個(gè)方法要調(diào)用其他方法雌团，需要將這些方法的符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為其在內(nèi)存地址中的直接引用燃领，而符號(hào)引用存在于方法區(qū)中的運(yùn)行時(shí)常量池.

Java虛擬機(jī)棧中，每個(gè)棧幀都包含一個(gè)指向運(yùn)行時(shí)常量池中該棧所屬方法的符號(hào)引用锦援，持有這個(gè)引用的目的是為了支持方法調(diào)用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)連接(Dynamic Linking)猛蔽。

這些符號(hào)引用一部分會(huì)在類加載階段或者第一次使用時(shí)就直接轉(zhuǎn)化為直接引用，這類轉(zhuǎn)化稱為靜態(tài)解析灵寺。另一部分將在每次運(yùn)行期間轉(zhuǎn)化為直接引用曼库，這類轉(zhuǎn)化稱為動(dòng)態(tài)連接。

1.3.4略板、方法返回

當(dāng)一個(gè)方法開始執(zhí)行時(shí)毁枯，可能有兩種方式退出該方法：正常完成出口和異常完成出口。

• 正常完成出口是指方法正常完成并退出叮称，沒(méi)有拋出任何異常(包括Java虛擬機(jī)異常以及執(zhí)行時(shí)通過(guò)throw語(yǔ)句顯示拋出的異常)种玛。
• 異常完成出口 是指方法執(zhí)行過(guò)程中遇到異常，并且這個(gè)異常在方法體內(nèi)部沒(méi)有得到處理瓤檐，導(dǎo)致方法退出赂韵。

無(wú)論是Java虛擬機(jī)拋出的異常還是代碼中使用athrow指令產(chǎn)生的異常，只要在本方法的異常表中沒(méi)有搜索到相應(yīng)的異常處理器挠蛉，就會(huì)導(dǎo)致方法退出祭示。

方法退出過(guò)程實(shí)際上就等同于把當(dāng)前棧幀出棧，因此退出可以執(zhí)行的操作有：恢復(fù)上層方法的局部變量表和操作數(shù)棧碌秸，把返回值(如果有的話)壓如調(diào)用者的操作數(shù)棧中绍移，調(diào)整PC計(jì)數(shù)器的值以指向方法調(diào)用指令后的下一條指令。

二讥电、常用的JVM指令

2.1蹂窖、棧操作相關(guān)

load和store

• load 命令：用于將局部變量表的指定位置的相應(yīng)類型變量加載到棧頂；
• store命令：用于將棧頂?shù)南鄳?yīng)類型數(shù)據(jù)保入局部變量表的指定位置恩敌；

const瞬测、push和ldc

• const、push：將相應(yīng)類型的常量放入棧頂
• ldc:則是從常量池中將常量壓入操作數(shù)棧棧頂

pop和dup

• pop用于棧頂數(shù)值出棧操作问潭；
• dup用于復(fù)制棧頂?shù)闹付▊€(gè)數(shù)的數(shù)值婚被，并將其壓入棧頂指定次數(shù)

dup2對(duì)于long、double類型的數(shù)據(jù)就是一個(gè)蔬螟，對(duì)于其他類型的數(shù)據(jù)此迅，才是真正的兩個(gè)，這個(gè)的2代表的是2個(gè)slot的數(shù)據(jù)。

2.2耸序、對(duì)象相關(guān)

字段調(diào)用

方法調(diào)用

方法返回

對(duì)象和數(shù)組

• 創(chuàng)建類實(shí)例： new
• 創(chuàng)建數(shù)組：newarray戈钢、anewarray痹仙、multianewarray
• 數(shù)組元素 加載到 操作數(shù)棧：xaload (x可為b,c,s,i,l,f,d,a)
• 操作數(shù)棧的值 存儲(chǔ)到數(shù)組元素： xastore (x可為b,c,s,i,l,f,d,a)
• 數(shù)組長(zhǎng)度：arraylength
• 類實(shí)例類型：instanceof、checkcast

2.3殉了、運(yùn)算指令

運(yùn)算指令是用于對(duì)操作數(shù)棧上的兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行某種運(yùn)算开仰，并把結(jié)果重新存入到操作棧頂

其他運(yùn)算：

• 位移：ishl,ishr,iushr,lshl,lshr,lushr
• 按位或： ior,lor
• 按位與： iand, land
• 按位異或： ixor, lxor
• 自增：iin
• 比較：dcmpg,dcmpl,fcmpg,fcmpl,lcmp

2.4、類型轉(zhuǎn)換

類型轉(zhuǎn)換用于將兩種不同類型的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換薪铜。
類型轉(zhuǎn)換指令：i2b, i2c,f2i等等众弓。

2.5、流程控制

控制指令是指有條件或無(wú)條件地修改PC寄存器的值隔箍，從而達(dá)到控制流程的目標(biāo)

• 條件分支：ifeq谓娃、iflt、ifnull蜒滩、ifnonnull等
• 復(fù)合分支：tableswitch滨达、lookupswitch
• 無(wú)條件分支：goto、goto_w俯艰、jsr捡遍、jsr_w、ret

2.6竹握、同步與異常

• Java程序顯式拋出異常： athrow指令画株。
• Java虛擬機(jī)的指令集中通過(guò)monitorenter和monitorexit兩條指令來(lái)完成synchronized的功能

三庸推、參考文章

http://gityuan.com/2015/10/24/jvm-bytecode-grammar/

https://zhuanlan.zhihu.com/p/45354152

https://zhuanlan.zhihu.com/p/94498015?utm_source=wechat_timeline