ASM框架学习(一)-基本概念
简介
ASM是java字节码操作框架，利用该框架可以达到动态修改java运行对象代码的目的，也可以实现动态代理等功能；
线程和栈帧
要了解ASM字节码操作，先要熟悉jvm线程与栈帧结构，jvm开辟一个线程，便会开辟属于这个线程虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器，其主要作用如下：
- 虚拟机栈:以栈帧为基本单位，一个栈帧的开始地址代表一个方法的入口，栈帧里面有操作数栈，局部变量表，动态链接，方法出口，其他信息；其说明如下：
- 操作数栈：:用来存放需要cpu进行计算的基本类型和对象引用，以4个字节的slot为基本单位；
- 局部变量表：存放当前栈帧涉及到的变量表，以4个字节的slot为基本单位;
- 动态链接: 存放执行常量池的引用，可以实现当前方法的动态链接;
- 方法出口：用于方法的返回，可以是异常的发生，return操作指令等等；
- 本地方法栈：类似于虚拟机栈，但是保存的是java本地代码库的一些信息；
-
程序计数器：保存该线程指令执行位置，待下次调度时可以接着往下执行;
具体如下图所示：
线程虚拟机栈结构.png
基本类型
java字节码中的类型表达和java代码是不一样的，在java字节码中利用如下符号来表达基本类型：
| java类型 | type | 含义 |
|---|---|---|
| boolean | Z | 布尔 |
| char | C | 字符 |
| byte | B | 字节 |
| short | S | 短整型 |
| int | I | 整型 |
| long | J | 长整型 |
| float | F | 浮点数 |
| reference | L | 类的引用 |
| void | V | 空 |
| double | D | 双精度浮点型 |
| Object | Ljava/lang/Object; | 对象 |
| int[] | [I | 整型数组 |
| Object[][] | [[Ljava/lang/Object; | 对象数组 |
注： L+className;代表某类的引用(";"不能省略)
字节码实例:
| Java代码 | 字节码表示 | 注释 |
|---|---|---|
| double[][] | [[D | |
| Object run(int i,double d,Thread t) | (IDLjava/lang/Thread)Ljava/lang/Object; | (方法参数字节码类型)方法返回参数类型 |
字节码指令操作
字节码指令操作其实主要操作局部变量表和操作数栈，具体流程是：load局部变量到操作数栈，然后给cpu下达执行指令，然后将操作数栈栈顶元素弹出，从而实现一个操作；
字节码指令都有一定的格式：[type+]op["_"+value];
其中type根据基本类型可以为：i(int 整数),s(short 短整数),b(byte 字节),c(char字符),l(long长整数),d(double双精度浮点数),f(float 浮点数),a(reference 引用)；
value指的是操作数，如果操作数为负数时需要添加'm"前缀,例如iconstant_m1表示将-1压栈；如果操作数值超过一定大小，则会将该操作数存放在常量池，用#indexbyte表示其位置；
op指的是操作码，通常用一个字节表示；
字节码指令操作主要分为九大指令：
- 加载和存储指令：用于将数据在操作数栈和局部变量表来回传输；
- 运算指令：用于将操作数栈栈顶的两个数值进行运算，然后重新放入操作数栈顶;
- 类型转换指令：用于将两个不同数值类型进行相互转换；
- 对象创建和访问指令： 用于创建对象和访问对象
- 操作数栈管理指令：用于管理操作数栈，类似普通栈管理
- 控制转移指令：用于让jvm从指定位置的指令开始执行而不是控制下一条指令位置开始执行；
- 方法调用和返回指令：用于方法调用和方法返回；
- 异常处理指令：对jvm抛出的异常进行处理指令；
- 方法同步指令：用来控制不同线程对方法的同步控制；
加载和存储指令
加载指令主要是将局部变量和常量压入到操作数栈，具体指令有：
- 常量压栈指令，常量压栈指令时根据常量所占字节大小划分，指令如下：
- constant:该常量字节大小为-1到5的数值，例如iconstant_0将整数0压栈，lconstant_5将长整数5压栈；
- bipush:将字节值为byte类型的数值转换为整型，然后压栈(byte值大小为-128-127)；
- sipush:将字节值为short类型的数值转换为整型，然后压栈(short值为-32768-32767)；
- ldc: 根据指定索引值(需要一个字节存储的indexbyte)从常量池取出大小在-2147483648~2147483647的常量值，如int，float,Reference型常量值；
- ldc_w:根据指定宽索引值(需要两个字节存储的索引值)从常量池取出如int,float,Reference等常量值进行压栈；
-
ldc2_w:根据指定宽索引值从常量池中取出如long,double等常量值进行压栈；
如下图：
常量压栈.png
如上图所示，其中32767表示操作数值，在[-32768,32767]之间是不会保存到常量池的，而超过这个值则需要利用indexbyte(#30,#35)代表的索引，去常量池中查找
- load:将局部变量指定位置(具体值或者索引)处的对象压栈；aload_0将局部变量表0处的引用类型入栈，
iload indexbyte将局部变量表中indexbyte表示的int类型入栈；caload从char类型数组中装载指定项的值（先转换为int类型值，后压栈） - store :将操作数栈栈顶值弹出并保存到局部变量表中;例如：istore_3将short,byte,char,int类型保存到局部变量表3处根据类型转换，lstore [opNum] (opNum需大于3)则将long类型保存到局部变量opNum处；dstore用来保存栈顶的double类型，fstore用来保存栈顶的float类型；
如下图所示：
加载存储指令.png
运算指令
运算指令有以下几种:
- (T)add:将栈顶T类型的两个数值相加后入栈，T：float,int,short,long,double
- (T)sub:将栈顶T类型的两个数值相减后入栈，T：float,int,short,long,double
- (T)mul:将栈顶T类型的两个数值相乘后入栈，T：float,int,short,long,double
- (T)div:将栈顶T类型的两个数值相除后入栈，T：float,int,short,long,double
- (T)rem:将栈顶T类型的两个数值取模后入栈，T：float,int,short,long,double
- (T)neg:将栈顶T类型的取负后入栈，T：float,int,short,long,double
-
(T)iinc [indexbyte,constantbyte]:将整数值constbyte加到indexbyte指定的int类型的局部变量中;
运算指令.png
- (T)shl:算数左移后入栈，T为非浮点类型的基本类型；
- (T)shr:算数左移后入栈，T为非浮点类型的基本类型；
- (T)ushl:逻辑左移后入栈，T为非浮点类型的基本类型；
- (T)ushr:逻辑右移后入栈,T为非浮点类型的基本类型；
- (T)and:与操作，T为非浮点类型的基本类型；
- (T)or:或操作，T为非浮点类型的基本类型；
- (T)xor:异或操作,T为非浮点类型的基本类型；
类型转换指令
类型转换指令有以下几种：
- (T)2(V):将T基本类型转换成V基本类型，如果是长字节类型转换短字节类型，则需要把高位字节截断；如l2i:将long转换成int则会把高4个字节截断后剩下的四个字节转换成int；
对象创建和访问指令
对象创建和访问指令通常需要两个操作数indexbyte1和indexbyte2
- new :创建新的对象实例;
- checkcast:强制类型转换;
- instanceof:判断是否类实例;
- getField:获取类实例字段值；
- putField:给类实例字段赋值;
- getStatic:获取类静态变量值;
- putStatic:给类静态变量赋值;
- newarray:创建基本类型数组；
- anewarray:创建引用类型数组;
- arraylength:获取一维数组长度;
操作数栈管理指令
字等于两个字节，半个slot，16位
- nop: 空操作；
- pop :弹出栈顶一个字长数据;
- pop2:弹出栈顶两个字长的数据;
- dup:复制栈顶一个字长的数据，同时将该数据入栈；
- dup_x1：复制栈顶一个字长的数据，同时弹出栈顶两个字长的数据，然后再将复制的数据入栈，再将弹出的两个字入栈;
- dup_x2:复制栈顶一个字长的数据，同时弹出栈顶三个字长的数据，然后再将复制的数据入栈，再将弹出的三个字入栈;
- dup2:复制栈顶两个字长的数据，同时将该数据入栈；
- dup2_x1:复制栈顶两个字长的数据，同时弹出栈顶三个字长的数据，然后再将复制的数据入栈，再将弹出的三个字入栈;
- dup2_x2:复制栈顶两个字长的数据，同时弹出栈顶四个字长的数据，然后再将复制的数据入栈，再将弹出的四个字入栈;
- swap:交换栈顶两个字长的数据，Java指令中没有提供交换两个字长为单位的交换指令；
控制转移指令:
控制转移指令分为跳转指令和比较指令，无条件跳转指令,表跳转指令，异常跳转指令；
跳转指令：
- ifeq:若栈顶int类型为0则跳转；
- ifne:若栈顶int类型不为0则跳转；
- iflt:若栈顶int类型小于0则跳转；
- ifle: 若栈顶int类型小于等于0则跳转；
- ifgt:若栈顶int类型大于0则跳转；
- ifge:若栈顶int类型大于等于0则跳转；
- if_icmpeq:若栈顶两int类型相等则跳转；
- if_icmpne: 若栈顶两int类型相等则跳转；
- if_icmplt:若栈顶int前小于后则跳转;
- if_icpmle:若栈顶int前小于等于后则跳转;
- if_icpmgt: 若栈顶int前大于后则跳转;
- if_icpmge: 若栈顶int前大于等于后则跳转;
- ifnull: 如栈顶引用为空则跳转;
- ifnonnull:若栈顶引用不为空则跳转;
- if_acmpeq:若栈顶两引用相等则跳转；
- if_acmpne: 若栈顶两引用不相等则跳转;
比较指令：
- (T)cmp:比较栈顶两个T类型大小，前者大，则1入栈；相等则0入栈；后者大则-1入栈；
- (T)cmpl:比较栈顶两个T类型大小，前者大，则1入栈；相等则0入栈；后者大则-1入栈；有NAN存在，则-1入栈;
- (T)cmpg:比较栈顶两个T类型大小，前者大，则1入栈；相等则0入栈；后者大则-1入栈；有NAN存在，则-1入栈;
无条件转移指令:
- goto :无条件转移到指定位置;
- goto_w:无条件转移到指定位置(宽索引);
表跳转指令:
- tableswitch:通过索引访问跳转表，并跳转;
- lookupswitch： 通过健值访问跳转表，并跳转;
异常跳转指令:
- athrow:抛出异常;
- jsr:跳转到指定程序;
- jsr_w:跳转到指定程序(宽索引);
- ret:返回到指定程序;
方法调用和返回指令:
- invokerspecial:指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法和父类方法，编译时绑定；
- invokevirtual:指令用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派，运行时绑定；
- invokestatic:调用静态方法;
- invokeinterface:用以调用接口方法，在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象，找出适合的方法进行调用；
- invokedynamic:用于处理新的方法分派：它允许应用级别的代码来确定执行哪一个方法调用，只有在调用要执行的时候，才会进行这种判断,从而达到动态语言的支持，lambda方法实现就是依赖于该指令；
-
(T)return:方法退出指令，T表示返回类型;
关于invokespecial和invokevirtual如下图:
invokespecial和invokevirtual.png
同步方法指令:
- monitorenter: 进入并获得对象监视器；
- monitorexit:退出并释放对象监视器;
