Java字节码
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Java字节码
Java字节码是Java虚拟机（JVM）执行程序的中间表示形式，它为Java提供了跨平台的能力。
Java字节码这一概念，对开发者来说通常是隐藏在幕后的。当编写好Java源文件后，通过javac编译器将源码转换成字节码，存储在.class文件中。这些字节码随后由JVM加载并执行。由于字节码这种低级中间表示形式的存在，Java能够实现“一次编写，到处运行”的特性。
字节码指令
Java字节码由操作码和操作数组成。操作码定义了要执行的操作类型，而操作数则是这些操作所需的参数。例如，操作码iload_0不需要额外的操作数，它将局部变量表中的第一个整数（索引为0）压入操作数栈；而操作码invokespecial可能需要指向常量池的索引作为操作数。
字节码指令是构成Java方法体的基本操作，每个指令由一个操作码（opcode）和零个或多个操作数组成。以下是一些常见的字节码指令：
aload：将一个对象引用从局部变量表加载到操作数栈。astore：将一个对象引用从操作数栈存储到局部变量表。bipush：将一个字节常量值推送到操作数栈。dup：复制操作数栈顶部的值。goto：无条件跳转到指定偏移量的指令。if_icmpne：如果两个整数比较结果不相等，则跳转到指定偏移量的指令。invokevirtual：调用实例方法。invokespecial：调用实例初始化方法、私有方法或父类方法。invokestatic：调用静态方法。ireturn：从当前方法返回一个整数。
字节码操作
可以使用以下工具和库来操作字节码：
- Java字节码查看器：如
javap命令，可以反汇编.class文件，查看其内容。 - ASM：一个字节码操作和分析框架，用于直接操作字节码。
- CGLIB：一个基于ASM的字节码生成库，用于创建类的代理和子类。
运行时操作字节码
Java Agent
Java Agent是一种特殊的Java程序，它能够在JVM启动时或运行时通过Instrumentation接口来修改应用的行为。
我们可以创建和使用Java Agent来修改Java程序的字节码，从而实现各种高级功能，如性能监控、故障排查、热部署等。
Instrumentation API
Instrumentation是JDK提供的一个API，允许我们在运行时对JVM中的类进行修改和监控。通过这个API，我们可以执行以下操作：
- 在类被加载到JVM之前，修改类的字节码。
- 在运行时重新定义一个已加载的类。
- 监控JVM中类的加载和卸载。
- 获取所有当前加载的类的引用。
Java Agent两种模式
- Premain模式：在JVM启动时，通过
-javaagent参数指定Agent，并且执行premain方法。 - Agentmain模式：在JVM运行时，通过Attach API动态地加载Agent，并执行
agentmain方法。
创建Java Agent
1. 创建Agent类
创建一个类，该类包含premain或agentmain方法。
import java.lang.instrument.Instrumentation;
public class MyAgent {
// 在JVM启动时调用
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
// 注册类文件转换器
inst.addTransformer(new MyClassFileTransformer());
}
// 在JVM运行时调用
public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
// 注册类文件转换器
inst.addTransformer(new MyClassFileTransformer(), true);
// 重新转换所有已加载的类
inst.retransformClasses(SimpleApp.class);
}
}
2. 实现ClassFileTransformer
创建一个实现ClassFileTransformer接口的类，用于转换字节码。
import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException;
import java.security.ProtectionDomain;
public class MyClassFileTransformer implements ClassFileTransformer {
@Override
public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer)
throws IllegalClassFormatException {
// 只转换目标类
if ("com/example/SimpleApp".equals(className)) {
// 使用ASM或其他库修改字节码
// 返回修改后的字节码数组
}
// 返回null表示不修改
return null;
}
}
3. 创建MANIFEST.MF
在META-INF目录下创建MANIFEST.MF文件，指定Premain-Class或Agent-Class。
Manifest-Version: 1.0
Premain-Class: MyAgent
Agent-Class: MyAgent
Can-Redefine-Classes: true
Can-Retransform-Classes: true
4. 打包Agent
使用Maven或Gradle将Agent打包成一个jar文件。
mvn clean package
5. 运行Java Agent
使用-javaagent参数启动Java程序。
java -javaagent:path/to/your-agent.jar -jar SimpleApp.jar
或者，使用Attach API在运行时加载Agent。
import com.sun.tools.attach.*;
public class AgentAttacher {
public static void main(String[] args) throws Exception {
VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach("12345"); // 12345是目标JVM的进程ID
vm.loadAgent("path/to/your-agent.jar");
vm.detach();
}
}
ASM
ASM是一个Java字节码操作和分析框架，它允许开发者直接操作Java类的字节码。ASM提供了一套API来读取、修改和生成Java字节码。
基本概念
ClassReader
ClassReader是ASM中用于读取类文件的组件。它可以解析.class文件，并提供对类中各个元素（如方法、字段、注解等）的访问。
ClassWriter
ClassWriter是ASM中用于生成类文件的组件。它可以创建新的类文件或者修改现有的类文件。
ClassVisitor
ClassVisitor是ASM中的核心接口，用于遍历类中的各个元素。我们可以实现这个接口来定义在遍历过程中要执行的操作。
MethodVisitor
MethodVisitor用于遍历方法中的指令。与ClassVisitor类似，我们可以实现这个接口来定义在遍历方法时要执行的操作。
使用ASM修改字节码的步骤
ASM是一个Java字节码操作和分析框架，它提供了一组API来直接操作和转换Java类的字节码。使用ASM库可以方便地实现对Java类进行增强、修改或分析的功能。
- 添加ASM库依赖：首先，我们需要将ASM库添加到我们的项目中。如果我们使用的是Maven，可以在
pom.xml文件中添加以下依赖：
<dependency>
<groupId>org.ow2.asm</groupId>
<artifactId>asm</artifactId>
<version>9.0</version>
</dependency>
- 创建ClassVisitor：创建一个继承自
org.objectweb.asm.ClassVisitor的自定义类，并重写其中的方法以实现我们想要的字节码转换逻辑。例如，我们可以重写visitMethod方法来访问和修改特定方法的字节码。
import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;
public class MyClassVisitor extends ClassVisitor {
public MyClassVisitor(ClassVisitor cv) {
super(Opcodes.ASM9, cv);
}
@Override
public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
if (name.equals("myMethod")) { // 只修改名为"myMethod"的方法
return new MyMethodVisitor(mv);
}
return mv;
}
class MyMethodVisitor extends MethodVisitor {
public MyMethodVisitor(MethodVisitor mv) {
super(Opcodes.ASM9, mv);
}
@Override
public void visitCode() {
// 在这里插入我们想要的字节码指令
}
}
}
- 创建ClassReader和ClassWriter：使用
org.objectweb.asm.ClassReader读取目标类的字节码，然后使用org.objectweb.asm.ClassWriter来生成修改后的字节码。
import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;
public byte[] modifyClass(byte[] originalBytes) throws IOException {
ClassReader cr = new ClassReader(originalBytes);
ClassWriter cw = new ClassWriter(cr, 0);
MyClassVisitor cv = new MyClassVisitor(cw);
cr.accept(cv, 0);
return cw.toByteArray();
}
- 加载和运行修改后的字节码：使用
java.lang.instrument.Instrumentation接口的redefineClasses方法重新定义目标类的字节码。这需要我们在应用程序启动时加载一个实现了java.lang.instrument.ClassFileTransformer接口的Agent。
import java.lang.instrument.ClassDefinition;
import java.lang.instrument.Instrumentation;
public class MyAgent {
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
inst.addTransformer(new ClassFileTransformer() {
@Override
public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
if (className.equals("com/example/MyClass")) { // 只修改指定的类
try {
byte[] modifiedBytes = modifyClass(classfileBuffer);
return modifiedBytes;
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return classfileBuffer;
}
});
}
}
参考文章：https://cengxuyuan.cn