Java 动态字节码技术

初学 Java 时,我对 IDEA 的 Debug 非常好奇,不止是它能查看断点的上下文环境,更神奇的是我可以在断点处使用它的 Evaluate 功能直接执行某些命令,进行一些计算或改变当前变量。

刚开始语法不熟经常写错代码,重新打包部署一次代码耗时很长,我就直接面向 Debug 开发。在要编写的方法开始处打一个断点,在 Evaluate 框内一次次地执行方法函数不停地调整代码,没问题后再将代码复制出来放到 IDEA 里,再进行下一个方法的编写,这样就跟写 PHP 类似的解释性语言一样,写完即执行,非常方便。

Java 动态字节码技术

但 Java 是静态语言,运行之前是要先进行编译的,难道我写的这些代码是被实时编译又”注入”到我正在 Debug 的服务里了吗?

随着对 Java 的愈加熟悉,我也了解了反射、字节码等技术,直到前些天的周会分享,有位同事分享了 Btrace 的使用和实现,提到了 Java 的 ASM 框架和 JVM TI 接口。 Btrace 修改代码能力的实现与 Debug 的 Evaluate 有很多相似之处,这大大吸引了我。分享就像一个引子,从中学到的东西只是皮毛,要了解它还是要自己研究。于是自己查看资料并写代码学习了下其具体实现。

ASM

实现 Evaluate 要解决的第一个问题就是怎么改变原有代码的行为,它的实现在 Java 里被称为动态字节码技术。

动态生成字节码

我们知道,我们编写的 Java 代码都是要被编译成字节码后才能放到 JVM 里执行的,而字节码一旦被加载到虚拟机中,就可以被解释执行。

字节码文件(.class)就是普通的二进制文件,它是通过 Java 编译器生成的。而只要是文件就可以被改变,如果我们用特定的规则解析了原有的字节码文件,对它进行修改或者干脆重新定义,这不就可以改变代码行为了么。

Java 生态里有很多可以动态生成字节码的技术,像 BCEL、Javassist、ASM、CGLib 等,它们各有自己的优势。有的使用复杂却功能强大、有的简单确也性能些差。

ASM 框架

ASM 是它们中最强大的一个,使用它可以动态修改类、方法,甚至可以重新定义类,连 CGLib 底层都是用 ASM 实现的。

当然,它的使用门槛也很高,使用它需要对 Java 的字节码文件有所了解,熟悉 JVM 的编译指令。虽然我对 JVM 的字节码语法不熟,但有大神开发了可以在 IDEA 里查看字节码的插件:ASM Bytecode Outline ,在要查看的类文件里右键选择 Show bytecode Outline 即可以右侧的工具栏查看我们要生成的字节码。对照着示例,我们就可以很轻松地写出操作字节码的 Java 代码了。

而切到 ASMified 标签栏,我们甚至可以直接获取到 ASM 的使用代码。

Java 动态字节码技术

常用方法

在 ASM 的代码实现里,最明显的就是访问者模式,ASM 将对代码的读取和操作都包装成一个访问者,在解析 JVM 加载到的字节码时调用。

ClassReader 是 ASM 代码的入口,通过它解析二进制字节码,实例化时它时,我们需要传入一个 ClassVisitor,在这个 Visitor 里,我们可以实现 visitMethod()/visitAnnotation() 等方法,用以定义对类结构(如方法、字段、注解)的访问方法。

而 ClassWriter 接口继承了 ClassVisitor 接口,我们在实例化类访问器时,将 ClassWriter “注入” 到里面,以实现对类写入的声明。

Instrument 介绍

字节码是修改完了,可是 JVM 在执行时会使用自己的类加载器加载字节码文件,加载后并不会理会我们做出的修改,要想实现对现有类的修改,我们还需要搭配 Java 的另一个库 instrument。

instrument 是 JVM 提供的一个可以修改已加载类文件的类库。1.6以前,instrument 只能在 JVM 刚启动开始加载类时生效,之后,instrument 更是支持了在运行时对类定义的修改。

使用

要使用 instrument 的类修改功能,我们需要实现它的 ClassFileTransformer 接口定义一个类文件转换器。它唯一的一个 transform() 方法会在类文件被加载时调用,在 transform 方法里,我们可以对传入的二进制字节码进行改写或替换,生成新的字节码数组后返回,JVM 会使用 transform 方法返回的字节码数据进行类的加载。

JVM TI

定义完了字节码的修改和重定义方法,但我们怎么才能让 JVM 能够调用我们提供的类转换器呢?这里又要介绍到 JVM TI 了。

介绍

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