Структура байт-кода виртуальной машины Java

Платформы java имеется две особенности. Для обеспечения кроссплатформенности программа сначала компилируется в промежуточный язык низкого уровня - байт-код. Вторая особенность загрузка исполняемых классов происходит с помощью расширяемых classloader. Это механизм обеспечивает большую гибкость и позволяет модифицировать исполняемый код при загрузки, создавать и подгружать новые классы во время выполнения программы.

Такая техника широко применяется для реализации AOP, создания тестовых фреймворков, ORM. Особенно хочется отметить terracota, продукт с красивой идеей кластеризации jvm и на всю катушку использующей модификации байт-кода. Эта заметка будет посвящена обзору структуры байт-кода, первой части этой сильной связки.

Каждому классу в java соответствует один откомпилированный файл. Это справедливо даже для подклассов или анонимным классов. Такой файл содержит информацию об имени класса, его родители, список интерфейсов которые он реализует, перечисление его полей и методов. Важно отметить, что после компиляции информации которая содержит директива import теряется и все классы именуются теперь через полный путь. Например в место String будет записано java/lang/String.

Самое интересное как будут выглядеть методы класса в байт-коде. Будем наблюдать во, что трансформируется следующий класс:

package org;

class Test {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;

    }
}

Метод getName будет описываться в байт-коде следующим образом.

public getName()Ljava/lang/String;
ALOAD 0
GETFIELD org/Test name
ARETURN

Начнем с заголовка. В нем содержится информация о название метода то, что метод вызывается без параметров и тип возвращаемого аргумента.

Байт-кода стеко-ориентированный язык, похожий по своей структуре на ассемблер. Что бы произвести операции с данными их сначала нужно положит на стек. Мы хотим взять поле у объект. Что бы это сделять нужно его положить в стек. В байт-коде нет имен переменных, у них есть номера. Нулевой номер у ссылки на текущий объект или у переменой this. Потом идут параметры исполняемого метода. Затем остальные переменные.

Команда ALOAD 0 кладет переменную this на стек. Что бы на стек положить тип данных, отличный от ссылки нужно воспользоваться другой командой. Для long будет LLOAD, а для doubles[] будет DALOAD.

Следующая команда GETFIELD, убирает со стека ссылку на объект и кладет примитивный тип или ссылку на поле данного объекта. У нее есть два параметра. Первый имя класса, второй имя переменной. Если же переменная статическая, то предварительно класть на стек ничего не нужно, а команду нужно заменить на GETSTATIC с теме же параметрами.

Последняя команда говорит, что метод завершен и возвращает значения типа ссылки со стека.

Сеттер имеет немного более сложную структуру.

public setName(Ljava/lang/String;)V
ALOAD 0
ALOAD 1
PUTFIELD org/Test name
RETURN

Данный метод ничего не возвращает. Первые две команды кладут на стек переменную this и параметр исполняемого метода. Затем вызывается команда PUTFIELD (PUTSTATIC для статического поля) которая установит значение поля объекта и уберет со стека последние два значения. Последняя команда выход из метода.

Добавим к нашему объект еще пару методов и посмотрим какой байт-код им соответствует.

    public void forTest(Boolean b){
        System.out.prinln(b);

    }

    public Long testMethods(Collection<Long> testInterface){
        Long a = System.curretM();

        forTest(testInterface.contains(a));    
        return a;

    }

testMethod имеет следующие представление.

INVOKESTATIC java/lang/System currentTimeMillis ()J
LSTORE 2
ALOAD 0
ALOAD 1
LLOAD 2
INVOKESTATIC java/lang/Long valueOf (J)Ljava/lang/Long;
INVOKEINTERFACE java/util/Collection contains (Ljava/lang/Object;)Z
INVOKESTATIC java/lang/Boolean valueOf (Z)Ljava/lang/Boolean;
INVOKEVIRTUAL org/Test forTest (Ljava/lang/Boolean;)V
LLOAD 2
INVOKESTATIC java/lang/Long valueOf (J)Ljava/lang/Long;
ARETURN

Первая команда вызывает статический метод у класса System. Вторая запоминает результат вызова метода currentTimeMillis в переменной со вторым номером. Затем мы кладем переменную this, параметр метода и переменную с номером 2 на стек. Преобразую переменную к типу java/lang/Long. И проверяем, что она у нас содержится в коллекции, вызывая метод у параметра исполняемого. У нас параметр интерфейс, поэтому применяется команда INVOKEINTERFACE. Для метода класса необходимо использовать INVOKEVIRTUAL. Что бы вызвать метод у объект или интерфейса необходимо, что бы на стеке лежал объект, затем параметры вызываемого метода. В результате вызова метода они заменяться на результат или просто уберутся со стека, если метод ничего возвращает. Последняя три команды кладут перемену на стек, превращают ее в объект и возвращают ее как значение метода.


Что бы завершить наш экскурс в байт-код добавим последний метод и посмотрим на циклы и условные операторы.

    public void testAriphmentics(){
       int i = -17;

        while(i < 10){
            if(i < 0){

                i = i + 7;
            }
            i  = i*13;

        }
    }

Он в байт-коде будет выглядить так

ACC_FINAL -17
ISTORE 1
Label:L1466604866
ILOAD 1
ACC_FINAL 10
IF_ICMPGE L329949514
ILOAD 1
IFGE L658705244
ILOAD 1
ACC_FINAL 7
IADD
ISTORE 1
Label:L658705244
ILOAD 1
ACC_FINAL 13
IMUL
ISTORE 1
GOTO L1466604866
Label:L329949514
RETURN

Первые две команды инициализирую переменную i (с номером 1) значением -17.

Дальше у нас начинается тело цикла. Для реализации которого потребуются метки,
команда перехода и условный оператор. В теле нашего метода аж целых три меток. Первая метка означает начало цикла. Вторая нужна для условного оператора, а последняя знаменует конец цикла. Уловный оператор имеет один параметр метку перехода. Прежде чем его вызвать сравниваемы значения должны лежать на стеке. Для сравнения с нулем используется отдельная команда. Для каждого типа есть свой оператор сравнения. Для int он IF_ICMPGE. После сравнения сравниваемы значения убираются со стека. Для арифметических действий с двумя переменным их так же как и для условного оператора нужно предварительно положить на стек. После выполнения они снимаются со стека, а на их место кладется результат.

На это краткий экскурс в байт-код закончен, некоторые вопросы такие как исключения, синхронизация не были затронуты. Я надеюсь, что имея представление о байт коде читатель без труда справиться с ними. В следующей части мы рассмотрим инструменты которые применяются для модификации байт-кода.