作為一個java程序員，如果你不懂字節碼的話，你只能算是初級程序員了。

這可不是聳人聽聞。了解字節碼你才能真正了解包括“動態代理的原理”、“類加載的細節過程”、“重載和重寫是如何實現的”、“多態是如何實現的”、“泛型究竟是什么”等等。

了解這些對你的工作有實際的意義：

比如，開發時碰到問題，需要確定一個jar包是不是最新的（開發時我們經常使用一個SNAPSHOT版本反復打包）。

比如，你在工具組，要開發一個動態修改運行中的類的工具。

比如，你碰到大廠高階一些的面試，尤其是偏底層的團隊。

比如，你碰到各種詭異的包括類找不到、方法找不到、java版本錯誤無法解析類等問題。

了解字節碼就仿佛給了你另一雙眼睛和更高緯度的視角，來應對各種java相關的工作。

話不多說，我們這就開始。

1、Java代碼從編寫到運行

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如圖所示，我們寫好的java代碼會先編譯成字節碼，然后JVM會加載這些字節碼并執行其中的命令，也就是將字節碼翻譯為機器碼執行。

這里有兩個重點：

1）其他語言寫的代碼，如果可以翻譯成標準的java字節碼，一樣可以在JVM中運行、事實上，有一些語言已經可以這么做了（包括Groovy、JRuby、Scala、Clojure、Kotlin等）。這是字節碼技術面向未來的最大賣點，也是JVM的宏大愿景。

2）如果我們改變了編譯出來字節碼，其實就改變了邏輯。不需要去改原來的java代碼。

2、字節碼怎么看

下面我們用一個例子來看看字節碼到底是什么，長啥樣。

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;
    }
}

這段邏輯很簡單。我定義了一個Calculator類，它有一個add方法，就是傳入兩個數值參數，把他們相加后再減去一個固定值offset，然后返回。

我們使用javac命令編譯后，得到如下文件（十六進制）：

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這個class人肉讀起來非常費勁。他有其固定的格式，你需要按照“說明書”一個字節一個字節翻譯過來才行。

這里我不做詳細的介紹，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，絕對不會直接看十六進制的。而是使用javap命令，將其轉化為我們更容易看懂的格式。我們來執行下命令：

javap -verbose Calculator.class

得到如下這樣的內容：

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不要著急，我來逐塊分開和你講講。

3、字節碼的含義

我們將字節碼的內容分為三塊來講：類信息、常量池和方法表。

1）類信息

這里面的內容不多，也比較容易理解。

major version: 52說明這是一個使用java8編譯出來的class。

flags：ACC_PUBLIC表示這個class是public的。ACC_SUPER在JDK1.2以后編譯出來的類都會帶上這個標志，這和JDK1.2以后invokespecial指令的變化有關。

2）常量池

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

下圖是Calculator類的常量池數據，我做了一些標注，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據格式。我這里就不詳細貼圖了。

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

3）方法表

在Calculator類中，有兩個方法。其中一個是我們定義的add方法，另一個則是默認構造函數。

【方法1 - 構造函數】

我們先來看下默認構造函數。和上面一樣，我直接在圖中做了說明，方便理解：

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【方法2 - add函數】

在介紹add方法前，我們要先簡單介紹下JVM的執行引擎。

JVM的執行引擎稱之為“基于棧的執行引擎”。也就是說，所有計算的中間結果都存在一個專門的棧中。與之相對應的就是歷史更悠久的經典“基于寄存器的操作引擎”。

我們用一個 x + y * z 的例子，來看下兩種操作引擎的差別。見下圖

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可以看到，完全一樣的代碼，寄存器的每個指令都需要多個參數，而基于棧的操作指令只需要一條。這是因為寄存器需要指定數據從哪個寄存器中拿（cpu有十多個寄存器），但基于棧的操作指令只會涉及一個操作數棧，所以只需要聲明出棧或者入棧即可。

下面就是 x + y * z 這條命令對應的字節碼操作過程：

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介紹完這個后，我們就可以看下Calculator類中add方法的字節碼內容了：

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到這里，我們就把字節碼中主要的三塊內容都講完了。

4、字節碼實踐：直接修改字節碼

既然我們了解了字節碼的結構，我們就要實踐一下直接定位并修改字節碼，不然的話只是紙上功夫了。

我們寫了個main函數來調用上面的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;
    }
}

我們編譯并運行一下，得到如下結果：

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

結果為 1 + 2 - 100 = -97

下面我來把add方法中的第7行通過字節碼改成 int m = z + offset。

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修改后的class我們通過javap反編譯后能看到，命令已經從isub變成了iadd。我們來運行下看看結果：

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

這次變成了 1 + 2 + 100 = 103。可以看到，我們并沒有重新編譯，所以你只要找對地方修改正確，就可以直接改變代碼邏輯了。

5、結尾

當然，我并不鼓勵你去修改線上的class。你也看到了，十六進制的代碼是非常容易改錯的。上面這個例子更多的是幫你理解java的字節碼。

看了上面的內容，我不知道你是否聯想到了Spring中的AOP。事實上Cglib就是通過直接修改字節碼的方式來實現切面的。這點我相信你準備面試的時候肯定已經知道了，但是通過上面的內容，我相信你肯定有更深的理解了。

但事實上，更重要的話題是，要如何方便地修改字節碼（不直接修改十六進制文件），這是我們下面一篇JVM系列文章會給大家介紹的內容。

此外，這些都只是編譯過程中“耍的小花招”，如何重載一個運行時的類是更有意思的話題。雖然現在很多熱部署方案存在各種各樣的問題，從而大家都還是信賴靜態編譯后重新部署，但是了解對運行時類的修改和重載，是極有意義的，尤其是開發過程中。

本文轉載自微信公眾號「 CodingBetterLife」，作者「 趙志強 」，可以通過以下二維碼關注。

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