作為一個(gè)java程序員，如果你不懂字節(jié)碼的話，你只能算是初級(jí)程序員了。

這可不是聳人聽(tīng)聞。了解字節(jié)碼你才能真正了解包括“動(dòng)態(tài)代理的原理”、“類加載的細(xì)節(jié)過(guò)程”、“重載和重寫是如何實(shí)現(xiàn)的”、“多態(tài)是如何實(shí)現(xiàn)的”、“泛型究竟是什么”等等。

了解這些對(duì)你的工作有實(shí)際的意義：

比如，開(kāi)發(fā)時(shí)碰到問(wèn)題，需要確定一個(gè)jar包是不是最新的（開(kāi)發(fā)時(shí)我們經(jīng)常使用一個(gè)SNAPSHOT版本反復(fù)打包）。

比如，你在工具組，要開(kāi)發(fā)一個(gè)動(dòng)態(tài)修改運(yùn)行中的類的工具。

比如，你碰到大廠高階一些的面試，尤其是偏底層的團(tuán)隊(duì)。

比如，你碰到各種詭異的包括類找不到、方法找不到、java版本錯(cuò)誤無(wú)法解析類等問(wèn)題。

了解字節(jié)碼就仿佛給了你另一雙眼睛和更高緯度的視角，來(lái)應(yīng)對(duì)各種java相關(guān)的工作。

話不多說(shuō)，我們這就開(kāi)始。

1、Java代碼從編寫到運(yùn)行

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如圖所示，我們寫好的java代碼會(huì)先編譯成字節(jié)碼，然后JVM會(huì)加載這些字節(jié)碼并執(zhí)行其中的命令，也就是將字節(jié)碼翻譯為機(jī)器碼執(zhí)行。

這里有兩個(gè)重點(diǎn)：

1）其他語(yǔ)言寫的代碼，如果可以翻譯成標(biāo)準(zhǔn)的java字節(jié)碼，一樣可以在JVM中運(yùn)行、事實(shí)上，有一些語(yǔ)言已經(jīng)可以這么做了（包括Groovy、JRuby、Scala、Clojure、Kotlin等）。這是字節(jié)碼技術(shù)面向未來(lái)的最大賣點(diǎn)，也是JVM的宏大愿景。

2）如果我們改變了編譯出來(lái)字節(jié)碼，其實(shí)就改變了邏輯。不需要去改原來(lái)的java代碼。

2、字節(jié)碼怎么看

下面我們用一個(gè)例子來(lái)看看字節(jié)碼到底是什么，長(zhǎng)啥樣。

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;
    }
}

這段邏輯很簡(jiǎn)單。我定義了一個(gè)Calculator類，它有一個(gè)add方法，就是傳入兩個(gè)數(shù)值參數(shù)，把他們相加后再減去一個(gè)固定值offset，然后返回。

我們使用javac命令編譯后，得到如下文件（十六進(jìn)制）：

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這個(gè)class人肉讀起來(lái)非常費(fèi)勁。他有其固定的格式，你需要按照“說(shuō)明書”一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)翻譯過(guò)來(lái)才行。

這里我不做詳細(xì)的介紹，看了下圖你基本上就能大致了解了。

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一般我們看編譯后的文件，絕對(duì)不會(huì)直接看十六進(jìn)制的。而是使用javap命令，將其轉(zhuǎn)化為我們更容易看懂的格式。我們來(lái)執(zhí)行下命令：

javap -verbose Calculator.class

得到如下這樣的內(nèi)容：

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不要著急，我來(lái)逐塊分開(kāi)和你講講。

3、字節(jié)碼的含義

我們將字節(jié)碼的內(nèi)容分為三塊來(lái)講：類信息、常量池和方法表。

1）類信息

這里面的內(nèi)容不多，也比較容易理解。

major version: 52說(shuō)明這是一個(gè)使用java8編譯出來(lái)的class。

flags：ACC_PUBLIC表示這個(gè)class是public的。ACC_SUPER在JDK1.2以后編譯出來(lái)的類都會(huì)帶上這個(gè)標(biāo)志，這和JDK1.2以后invokespecial指令的變化有關(guān)。

2）常量池

常量池中保存著非常豐富的信息。包括：方法的符號(hào)引用、類的符號(hào)引用、字段或方法描述符、各種字符常量、各種基礎(chǔ)類型字面量等等。你可以簡(jiǎn)單理解為各種你定義的類名稱、屬性名稱、方法名稱、常量以及系統(tǒng)自身需要的一些字面量，都會(huì)在這里定義。

下圖是Calculator類的常量池?cái)?shù)據(jù)，我做了一些標(biāo)注，方便你的理解。

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常量池的第一列是“常量類型”，一共有十幾種。每一種決定了第二列的數(shù)據(jù)格式。我這里就不詳細(xì)貼圖了。

常量池的第二列會(huì)有其他一些常量信息的引用，這些引用往往還是嵌套的。不過(guò)如圖所示，每個(gè)復(fù)雜的常量后都有注解幫你拼接好了。

3）方法表

在Calculator類中，有兩個(gè)方法。其中一個(gè)是我們定義的add方法，另一個(gè)則是默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)。

【方法1 - 構(gòu)造函數(shù)】

我們先來(lái)看下默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)。和上面一樣，我直接在圖中做了說(shuō)明，方便理解：

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【方法2 - add函數(shù)】

在介紹add方法前，我們要先簡(jiǎn)單介紹下JVM的執(zhí)行引擎。

JVM的執(zhí)行引擎稱之為“基于棧的執(zhí)行引擎”。也就是說(shuō)，所有計(jì)算的中間結(jié)果都存在一個(gè)專門的棧中。與之相對(duì)應(yīng)的就是歷史更悠久的經(jīng)典“基于寄存器的操作引擎”。

我們用一個(gè) x + y * z 的例子，來(lái)看下兩種操作引擎的差別。見(jiàn)下圖

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可以看到，完全一樣的代碼，寄存器的每個(gè)指令都需要多個(gè)參數(shù)，而基于棧的操作指令只需要一條。這是因?yàn)榧拇嫫餍枰付〝?shù)據(jù)從哪個(gè)寄存器中拿（cpu有十多個(gè)寄存器），但基于棧的操作指令只會(huì)涉及一個(gè)操作數(shù)棧，所以只需要聲明出?；蛘呷霔＜纯伞?/p>

下面就是 x + y * z 這條命令對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼操作過(guò)程：

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介紹完這個(gè)后，我們就可以看下Calculator類中add方法的字節(jié)碼內(nèi)容了：

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到這里，我們就把字節(jié)碼中主要的三塊內(nèi)容都講完了。

4、字節(jié)碼實(shí)踐：直接修改字節(jié)碼

既然我們了解了字節(jié)碼的結(jié)構(gòu)，我們就要實(shí)踐一下直接定位并修改字節(jié)碼，不然的話只是紙上功夫了。

我們寫了個(gè)main函數(shù)來(lái)調(diào)用上面的Calculator類，這里把Main和Calculator類都貼一下：

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;
    }
}

我們編譯并運(yùn)行一下，得到如下結(jié)果：

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

結(jié)果為 1 + 2 - 100 = -97

下面我來(lái)把a(bǔ)dd方法中的第7行通過(guò)字節(jié)碼改成 int m = z + offset。

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修改后的class我們通過(guò)javap反編譯后能看到，命令已經(jīng)從isub變成了iadd。我們來(lái)運(yùn)行下看看結(jié)果：

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

這次變成了 1 + 2 + 100 = 103?？梢钥吹?，我們并沒(méi)有重新編譯，所以你只要找對(duì)地方修改正確，就可以直接改變代碼邏輯了。

5、結(jié)尾

當(dāng)然，我并不鼓勵(lì)你去修改線上的class。你也看到了，十六進(jìn)制的代碼是非常容易改錯(cuò)的。上面這個(gè)例子更多的是幫你理解java的字節(jié)碼。

看了上面的內(nèi)容，我不知道你是否聯(lián)想到了Spring中的AOP。事實(shí)上Cglib就是通過(guò)直接修改字節(jié)碼的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)切面的。這點(diǎn)我相信你準(zhǔn)備面試的時(shí)候肯定已經(jīng)知道了，但是通過(guò)上面的內(nèi)容，我相信你肯定有更深的理解了。

但事實(shí)上，更重要的話題是，要如何方便地修改字節(jié)碼（不直接修改十六進(jìn)制文件），這是我們下面一篇JVM系列文章會(huì)給大家介紹的內(nèi)容。

此外，這些都只是編譯過(guò)程中“耍的小花招”，如何重載一個(gè)運(yùn)行時(shí)的類是更有意思的話題。雖然現(xiàn)在很多熱部署方案存在各種各樣的問(wèn)題，從而大家都還是信賴靜態(tài)編譯后重新部署，但是了解對(duì)運(yùn)行時(shí)類的修改和重載，是極有意義的，尤其是開(kāi)發(fā)過(guò)程中。

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「 CodingBetterLife」，作者「 趙志強(qiáng) 」，可以通過(guò)以下二維碼關(guān)注。

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