字节码详解 ---- .class 文件

什么是 .class 文件？

经过 java 编译器（javac）编译之后形成的二进制文件，JVM 可以解析并执行编译后的 java 代码。

.class 文件内容的结构

  1. 魔数头和 .class 文件的版本

    开头的四字节的内容翻译过来就是 "Coffee Baby"，中文就是“咖啡宝贝”，是识别 .class 文件的标识。不仅是 .class 文件，其他类型的文件，比如 .jpg，.jpeg，这些文件都有魔数头的，可以根据这个标识去识别文件的类型。

  2. 常量池

    就是字节码文件存放常量的一块区域，主要包括两大类常量：字面量和符号引用。

    字面量其实很好理解，是面向我们 java 程序员的，比如说，字符串字面量，数字等这些。

    符号引用有三种：

    1. 类和接口的全限定名
    2. 字段的名称和描述符
    3. 方法的名称和描述符

    符号引用可以理解为依赖关系，最终组合到一起就可以形成之前说的那几个东西，......

  3. 访问标志

    字节码文件是以类为单位的，一个类就对应一个字节码文件，访问标志就是表示这个class是接口还是类，是否public的，是否被标记为final。

    比如说 ACC_PUBLIC 表示class是 public 类型的，ACC_FINAL 表示这是一个最终类。

  4. 类索引、父类索引、接口索引

    class文件可以依靠这三个索引去确定继承关系。

  5. 字段表属性

    用来描述类或者接口中的属性信息的，比如说是否是静态变量、它的作用域、数据类型等等。

  6. 方法表属性

    用来描述方法信息的，比如说方法的类型、作用域等等。

    方法表中有一个比较重要的就是 code 属性了，然后 code 属性也有几个比较重要的属性：

    比如说 stack、locals、args_size、LineNumberTable、LocalVariableTable。

    stack：最大操作栈深度，JVM 运行时会根据这个属性来分配栈帧中的操作栈深度。

    locals：表示局部变量所需要的存储空间大小，单位是 slot。

    args_size：方法的参数个数，如果是实例方法的话，会有一个隐藏参数this。

    LineNumberTable：描述源代码与字节码文件的行号偏移量的映射关系，我们的debug逻辑就是这个。

    LocalVariableTable：描述帧栈中局部变量与源码中定义的变量之间的关系。（作用域，方法签名）

    ExceptionTable：异常表，try-catch-finally 会有的。from、to、target、type => from to 代表执行的指令集合，target 代表发生异常时跳转到的行数，type 表示异常类型（any是任何异常）。

  7. 属性表属性

    这个是用来描述方法表或者字段表中一些特殊的属性的。

字节码增强技术

概念

既然字节码文件是有规则的，那么我们就可以根据规则对字节码文件进行修改：

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了解 Spring 的都知道，Spring 的 AOP 是基于动态代理实现的，一个是 jdk 的动态代理，另一个就是 cglib。glib底层依赖于 ASM ，而 ASM 就可以用来修改字节码文件。（具体怎么操作，自己可以百度一下）

ASM 直接操作指令，Javassist 则是在源代码上着手，相较于 ASM 来说，上手难度大大降低，无须了解虚拟机指令，直接使用 java 代码编程即可。

运行时类的重载

默认情况下，JVM 是不允许在运行时动态重载一个类的，也就是说一个类被加载后，就不能改变了。

怎么样才能实现动态改变类的行为能力，并且让类重载呢？

Instrument

Instrument 是 JVM 提供的一个可以修改已加载类的类库。JDK 1.6 之前只能在 JVM 刚启动加载类时生效，1.6 之后支持在运行时对类定义的修改。实现 ClassFileTransformer 接口即可，在 transform() 方法中，可以利用 Javassist 或者 ASM 修改字节码，生成新的字节码数组并返回。当然，还需要借助 Agent 的能力进行注入。

JVMTI & Agent & Attach API

Instrument 功能的实现离不开这三个的支持。但是我们首先要了解一个东西，叫做 JPDA（Java Platform Debugger Architecture）。

JPDA 是一套用于 java 程序调试的标准规范，允许 JVM 卸载旧的类信息，重新加载新版本的类，即类的重载，任何 JDK 都必须实现。

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JVMTI：java 虚拟机工具接口

JDWP：java 调试协议

JDI：java 调试接口

JVMTI提供的所谓的接口其实就是去注册一些钩子函数，在特定的事件生命周期中会去触发，比如说 类文件的加载、异常的产生与捕获、线程的启动与结束等等。

Agent 其实就是 JVMTI 的一种实现，有两种启动方式，一种是随着 java 进程启动而启动，另一中就是通过 Attach API ，在运行的时候，将模块（jar包）动态注入到 java 进程内。

这个 Attach API 的作用就是提供了 JVM 进程间的通信能力，比如说一些 java 工具，jstack 或者 jmap 就是利用这个 Attach API 讲 对应 JVM 内部的信息 dump 下来。

总结

字节码文件内容这里，可以使用 javap 进行反编译查看学习，字节码增强技术这里了解一下，背诵即可。

2025/01/15

writeBy kaiven