通过javap命令分析java汇编指令
2018-01-09 本文已影响99人
王二北
一、javap命令简述
javap是jdk自带的反解析工具。它的作用就是根据class字节码文件，反解析出当前类对应的code区（汇编指令）、本地变量表、异常表和代码行偏移量映射表、常量池等等信息。
当然这些信息中，有些信息（如本地变量表、指令和代码行偏移量映射表、常量池中方法的参数名称等等）需要在使用javac编译成class文件时，指定参数才能输出，比如，你直接javac xx.java，就不会在生成对应的局部变量表等信息，如果你使用javac -g xx.java就可以生成所有相关信息了。如果你使用的eclipse，则默认情况下，eclipse在编译时会帮你生成局部变量表、指令和代码行偏移量映射表等信息的。
通过反编译生成的汇编代码，我们可以深入的了解java代码的工作机制。比如我们可以查看i++；这行代码实际运行时是先获取变量i的值，然后将这个值加1，最后再将加1后的值赋值给变量i。
通过局部变量表，我们可以查看局部变量的作用域范围、所在槽位等信息，甚至可以看到槽位复用等信息。
javap的用法格式：
javap <options> <classes>
其中classes就是你要反编译的class文件。
在命令行中直接输入javap或javap -help可以看到javap的options有如下选项：
-help --help -? 输出此用法消息
-version 版本信息，其实是当前javap所在jdk的版本信息，不是class在哪个jdk下生成的。
-v -verbose 输出附加信息（包括行号、本地变量表，反汇编等详细信息）
-l 输出行号和本地变量表
-public 仅显示公共类和成员
-protected 显示受保护的/公共类和成员
-package 显示程序包/受保护的/公共类 和成员 (默认)
-p -private 显示所有类和成员
-c 对代码进行反汇编
-s 输出内部类型签名
-sysinfo 显示正在处理的类的系统信息 (路径, 大小, 日期, MD5 散列)
-constants 显示静态最终常量
-classpath <path> 指定查找用户类文件的位置
-bootclasspath <path> 覆盖引导类文件的位置
一般常用的是-v -l -c三个选项。
javap -v classxx，不仅会输出行号、本地变量表信息、反编译汇编代码，还会输出当前类用到的常量池等信息。
javap -l 会输出行号和本地变量表信息。
javap -c 会对当前class字节码进行反编译生成汇编代码。
查看汇编代码时，需要知道里面的jvm指令，可以参考官方文档：
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html
另外通过jclasslib工具也可以看到上面这些信息，而且是可视化的，效果更好一些。
二、javap测试及内容详解
前面已经介绍过javap输出的内容有哪些，东西比较多，这里主要介绍其中code区(汇编指令)、局部变量表和代码行偏移映射三个部分。
如果需要分析更多的信息，可以使用javap -v进行查看。
另外，为了更方便理解，所有汇编指令不单拎出来讲解，而是在反汇编代码中以注释的方式讲解（吐槽一下，简书的markdown貌似不能改字体颜色，这一点很不爽）。
下面写段代码测试一下：
例子1：分析一下下面的代码反汇编之后结果：
public class TestDate {
private int count = 0;
public static void main(String[] args) {
TestDate testDate = new TestDate();
testDate.test1();
}
public void test1(){
Date date = new Date();
String name1 = "wangerbei";
test2(date,name1);
System.out.println(date+name1);
}
public void test2(Date dateP,String name2){
dateP = null;
name2 = "zhangsan";
}
public void test3(){
count++;
}
public void test4(){
int a = 0;
{
int b = 0;
b = a+1;
}
int c = a+1;
}
}
上面代码通过JAVAC -g 生成class文件，然后通过javap命令对字节码进行反汇编：
$ javap -c -l TestDate
得到下面内容(指令等部分是我参照着官方文档总结的)：
Warning: Binary file TestDate contains com.justest.test.TestDate
Compiled from "TestDate.java"
public class com.justest.test.TestDate {
//默认的构造方法，在构造方法执行时主要完成一些初始化操作，包括一些成员变量的初始化赋值等操作
public com.justest.test.TestDate();
Code:
0: aload_0 //从本地变量表中加载索引为0的变量的值，也即this的引用，压入栈
1: invokespecial #10 //出栈，调用java/lang/Object."<init>":()V 初始化对象，就是this指定的对象的init()方法完成初始化
4: aload_0 // 4到6表示，调用this.count = 0，也即为count复制为0。这里this引用入栈
5: iconst_0 //将常量0，压入到操作数栈
6: putfield //出栈前面压入的两个值（this引用，常量值0）， 将0取出，并赋值给count
9: return
//指令与代码行数的偏移对应关系，每一行第一个数字对应代码行数，第二个数字对应前面code中指令前面的数字
LineNumberTable:
line 5: 0
line 7: 4
line 5: 9
//局部变量表，start+length表示这个变量在字节码中的生命周期起始和结束的偏移位置（this生命周期从头0到结尾10），slot就是这个变量在局部变量表中的槽位（槽位可复用），name就是变量名称，Signatur局部变量类型描述
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 10 0 this Lcom/justest/test/TestDate;
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
// new指令，创建一个class com/justest/test/TestDate对象，new指令并不能完全创建一个对象，对象只有在初，只有在调用初始化方法完成后（也就是调用了invokespecial指令之后），对象才创建成功,
0: new //创建对象，并将对象引用压入栈
3: dup //将操作数栈定的数据复制一份，并压入栈，此时栈中有两个引用值
4: invokespecial #20 //pop出栈引用值,调用其构造函数，完成对象的初始化
7: astore_1 //pop出栈引用值，将其（引用）赋值给局部变量表中的变量testDate
8: aload_1 //将testDate的引用值压入栈，因为testDate.test1();调用了testDate，这里使用aload_1从局部变量表中获得对应的变量testDate的值并压入操作数栈
9: invokevirtual #21 // Method test1:()V 引用出栈，调用testDate的test1()方法
12: return //整个main方法结束返回
LineNumberTable:
line 10: 0
line 11: 8
line 12: 12
//局部变量表，testDate只有在创建完成并赋值后，才开始声明周期
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 13 0 args [Ljava/lang/String;
8 5 1 testDate Lcom/justest/test/TestDate;
public void test1();
Code:
0: new #27 // 0到7创建Date对象，并赋值给date变量
3: dup
4: invokespecial #29 // Method java/util/Date."<init>":()V
7: astore_1
8: ldc #30 // String wangerbei，将常量“wangerbei”压入栈
10: astore_2 //将栈中的“wangerbei”pop出，赋值给name1
11: aload_0 //11到14，对应test2(date,name1);默认前面加this.
12: aload_1 //从局部变量表中取出date变量
13: aload_2 //取出name1变量
14: invokevirtual #32 // Method test2: (Ljava/util/Date;Ljava/lang/String;)V 调用test2方法
// 17到38对应System.out.println(date+name1);
17: getstatic #36 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
//20到35是jvm中的优化手段，多个字符串变量相加，不会两两创建一个字符串对象，而使用StringBuilder来创建一个对象
20: new #42 // class java/lang/StringBuilder
23: dup
24: invokespecial #44 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
27: aload_1
28: invokevirtual #45 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/StringBuilder;
31: aload_2
32: invokevirtual #49 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
35: invokevirtual #52 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
38: invokevirtual #56 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V invokevirtual指令表示基于类调用方法
41: return
LineNumberTable:
line 15: 0
line 16: 8
line 17: 11
line 18: 17
line 19: 41
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 42 0 this Lcom/justest/test/TestDate;
8 34 1 date Ljava/util/Date;
11 31 2 name1 Ljava/lang/String;
public void test2(java.util.Date, java.lang.String);
Code:
0: aconst_null //将一个null值压入栈
1: astore_1 //将null赋值给dateP
2: ldc #66 // String zhangsan 从常量池中取出字符串“zhangsan”压入栈中
4: astore_2 //将字符串赋值给name2
5: return
LineNumberTable:
line 22: 0
line 23: 2
line 24: 5
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 6 0 this Lcom/justest/test/TestDate;
0 6 1 dateP Ljava/util/Date;
0 6 2 name2 Ljava/lang/String;
public void test3();
Code:
0: aload_0 //取出this，压入栈
1: dup //复制操作数栈栈顶的值，并压入栈，此时有两个this对象引用值在操作数组栈
2: getfield #12// Field count:I this出栈，并获取其count字段，然后压入栈，此时栈中有一个this和一个count的值
5: iconst_1 //取出一个int常量1,压入操作数栈
6: iadd // 从栈中取出count和1，将count值和1相加，结果入栈
7: putfield #12 // Field count:I 一次弹出两个，第一个弹出的是上一步计算值，第二个弹出的this，将值赋值给this的count字段
10: return
LineNumberTable:
line 27: 0
line 28: 10
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 11 0 this Lcom/justest/test/TestDate;
public void test4();
Code:
0: iconst_0
1: istore_1
2: iconst_0
3: istore_2
4: iload_1
5: iconst_1
6: iadd
7: istore_2
8: iload_1
9: iconst_1
10: iadd
11: istore_2
12: return
LineNumberTable:
line 33: 0
line 35: 2
line 36: 4
line 38: 8
line 39: 12
//看下面，b和c的槽位slot一样，这是因为b的作用域就在方法块中，方法块结束，局部变量表中的槽位就被释放，后面的变量就可以复用这个槽位
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 13 0 this Lcom/justest/test/TestDate;
2 11 1 a I
4 4 2 b I
12 1 2 c I
}
例子2：下面一个例子
先有一个User类：
public class User {
private String name;
private int age;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
}
然后写一个操作User对象的测试类：
public class TestUser {
private int count;
public void test(int a){
count = count + a;
}
public User initUser(int age,String name){
User user = new User();
user.setAge(age);
user.setName(name);
return user;
}
public void changeUser(User user,String newName){
user.setName(newName);
}
}
先javac -g 编译成class文件。
然后对TestUser类进行反汇编：
$ javap -c -l TestUser
得到反汇编结果如下：
Warning: Binary file TestUser contains com.justest.test.TestUser
Compiled from "TestUser.java"
public class com.justest.test.TestUser {
//默认的构造函数
public com.justest.test.TestUser();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #10 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lcom/justest/test/TestUser;
public void test(int);
Code:
0: aload_0 //取this对应的对应引用值，压入操作数栈
1: dup //复制栈顶的数据，压入栈，此时栈中有两个值，都是this对象引用
2: getfield #18 // 引用出栈，通过引用获得对应count的值，并压入栈
5: iload_1 //从局部变量表中取得a的值，压入栈中
6: iadd //弹出栈中的count值和a的值，进行加操作，并将结果压入栈
7: putfield #18 // 经过上一步操作后，栈中有两个值，栈顶为上一步操作结果，栈顶下面是this引用，这一步putfield指令，用于将栈顶的值赋值给引用对象的count字段
10: return //return void
LineNumberTable:
line 8: 0
line 9: 10
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 11 0 this Lcom/justest/test/TestUser;
0 11 1 a I
public com.justest.test.User initUser(int, java.lang.String);
Code:
0: new #23 // class com/justest/test/User 创建User对象，并将引用压入栈
3: dup //复制栈顶值，再次压入栈，栈中有两个User对象的地址引用
4: invokespecial #25 // Method com/justest/test/User."<init>":()V 调用user对象初始化
7: astore_3 //从栈中pop出User对象的引用值，并赋值给局部变量表中user变量
8: aload_3 //从局部变量表中获得user的值，也就是User对象的地址引用，压入栈中
9: iload_1 //从局部变量表中获得a的值，并压入栈中，注意aload和iload的区别，一个取值是对象引用，一个是取int类型数据
10: invokevirtual #26 // Method com/justest/test/User.setAge:(I)V 操作数栈pop出两个值，一个是User对象引用，一个是a的值，调用setAge方法，并将a的值传给这个方法,setAge操作的就是堆中对象的字段了
13: aload_3 //同7，压入栈
14: aload_2 //从局部变量表取出name，压入栈
15: invokevirtual #29 // MethodUser.setName:(Ljava/lang/String;)V 操作数栈pop出两个值，一个是User对象引用，一个是name的值，调用setName方法，并将a的值传给这个方法，setName操作的就是堆中对象的字段了
18: aload_3 //从局部变量取出User引用，压入栈
19: areturn //areturn指令用于返回一个对象的引用，也就是上一步中User的引用,这个返回值将会被压入调用当前方法的那个方法的栈中objectref is popped from the operand stack of the current frame ([§2.6](https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-2.html#jvms-2.6)) and pushed onto the operand stack of the frame of the invoker
LineNumberTable:
line 12: 0
line 13: 8
line 14: 13
line 15: 18
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 20 0 this Lcom/justest/test/TestUser;
0 20 1 age I
0 20 2 name Ljava/lang/String;
8 12 3 user Lcom/justest/test/User;
public void changeUser(com.justest.test.User, java.lang.String);
Code:
0: aload_1 //局部变量表中取出this，也即TestUser对象引用，压入栈
1: aload_2 //局部变量表中取出newName，压入栈
2: invokevirtual #29 // Method User.setName:(Ljava/lang/String;)V pop出栈newName值和TestUser引用，调用其setName方法，并将newName的值传给这个方法
5: return
LineNumberTable:
line 19: 0
line 20: 5
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 6 0 this Lcom/justest/test/TestUser;
0 6 1 user Lcom/justest/test/User;
0 6 2 newName Ljava/lang/String;
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: new #1 // class com/justest/test/TestUser 创建TestUser对象，将引用压入栈
3: dup //复制引用，压入栈
4: invokespecial #43 // Method "<init>":()V 引用值出栈，调用构造方法，对象初始化
7: astore_1 //引用值出栈，赋值给局部变量表中变量tu
8: aload_1 //取出tu值，压入栈
9: bipush 10 //将int值10压入栈
11: ldc #44 // String wangerbei 从常量池中取出“wangerbei” 压入栈
13: invokevirtual #46 // Method initUser(ILjava/lang/String;)Lcom/justest/test/User; 调用tu的initUser方法，并返回User对象 ，出栈三个值：tu引用，10和“wangerbei”，并且initUser方法的返回值，即User的引用，也会被压入栈中，参考前面initUser中的areturn指令
16: astore_2 //User引用出栈，赋值给user变量
17: aload_1 //取出tu值，压入栈
18: aload_2 //取出user值，压入栈
19: ldc #48 // String lisi 从常量池中取出“lisi”压入栈
21: invokevirtual #50 // Method changeUser:(Lcom/justest/test/User;Ljava/lang/String;)V 调用tu的changeUser方法，并将user引用和lisi传给这个方法
24: return //return void
LineNumberTable:
line 23: 0
line 24: 8
line 25: 17
line 26: 24
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 25 0 args [Ljava/lang/String;
8 17 1 tu Lcom/justest/test/TestUser;
17 8 2 user Lcom/justest/test/User;
}
三、总结
1、通过javap命令可以查看一个java类反汇编、常量池、变量表、指令代码行号表等等信息。
2、平常，我们比较关注的是java类中每个方法的反汇编中的指令操作过程，这些指令都是顺序执行的，可以参考官方文档查看每个指令的含义，很简单：
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html#jvms-6.5.areturn
3、通过对前面两个例子代码反汇编中各个指令操作的分析，可以发现，一个方法的执行通常会涉及下面几块内存的操作：
（1）java栈中：局部变量表、操作数栈。这些操作基本上都值操作。
（2）java堆。通过对象的地址引用去操作。
（3）常量池。
（4）其他如帧数据区、方法区（jdk1.8之前，常量池也在方法区）等部分，测试中没有显示出来，这里说明一下。
在做值相关操作时：
一个指令，可以从局部变量表、常量池、堆中对象、方法调用、系统调用中等取得数据，这些数据（可能是指，可能是对象的引用）被压入操作数栈。
一个指令，也可以从操作数数栈中取出一到多个值（pop多次），完成赋值、加减乘除、方法传参、系统调用等等操作。
