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掌握 Java 字節(jié)碼：使用 ASM 函式庫(kù)增強(qiáng)應(yīng)用程式的功能

Barbara Streisand

Nov 24, 2024 am 11:28 AM

Mastering Java Bytecode: Boost Your App

Java 字節(jié)碼操作是一項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)，允許我們?cè)谶\(yùn)行時(shí)修改 Java 類別。借助ASM函式庫(kù)，我們可以讀取、分析和轉(zhuǎn)換類文件，而無(wú)需原始原始碼。這為增強(qiáng)和優(yōu)化 Java 應(yīng)用程式開闢了一個(gè)充滿可能性的世界。

讓我們從探索字節(jié)碼操作的基礎(chǔ)開始。從本質(zhì)上講，Java 字節(jié)碼是編譯後的 Java 程式碼的低階表示。這是 Java 虛擬機(jī)器 (JVM) 實(shí)際執(zhí)行的內(nèi)容。透過(guò)操縱這個(gè)字節(jié)碼，我們可以在不接觸原始碼的情況下改變程式的行為。

ASM 函式庫(kù)提供了一組處理字節(jié)碼的工具。它輕量、快速且廣泛應(yīng)用於 Java 生態(tài)系統(tǒng)。首先，我們需要將 ASM 依賴項(xiàng)新增到我們的專案中。以下是我們?nèi)绾问褂?Maven 來(lái)做到這一點(diǎn)：

<dependency>
    <groupId>org.ow2.asm</groupId>
    <artifactId>asm</artifactId>
    <version>9.2</version>
</dependency>

現(xiàn)在我們已經(jīng)設(shè)定了 ASM，讓我們深入研究一些實(shí)際範(fàn)例。字節(jié)碼操作的常見用例是向方法新增日誌記錄。想像一下，我們想要在每次呼叫特定方法時(shí)記錄日誌。我們可以透過(guò)建立一個(gè)修改方法的 ClassVisitor 來(lái)做到這一點(diǎn)：

public class LoggingClassVisitor extends ClassVisitor {
    public LoggingClassVisitor(ClassVisitor cv) {
        super(ASM9, cv);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        if (name.equals("targetMethod")) {
            return new LoggingMethodVisitor(mv);
        }
        return mv;
    }
}

class LoggingMethodVisitor extends MethodVisitor {
    public LoggingMethodVisitor(MethodVisitor mv) {
        super(ASM9, mv);
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
        mv.visitLdcInsn("Method called: targetMethod");
        mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
        super.visitCode();
    }
}

該訪客在 targetMethod 的開頭新增了一條 println 語(yǔ)句。當(dāng)我們使用這個(gè)訪客來(lái)轉(zhuǎn)換一個(gè)類別時(shí)，每次呼叫 targetMethod 時(shí)它都會(huì)記錄。

字節(jié)碼操作的另一個(gè)強(qiáng)大應(yīng)用是效能監(jiān)控。我們可以使用 ASM 在方法周圍新增計(jì)時(shí)程式碼來(lái)測(cè)量其執(zhí)行時(shí)間。以下是我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：

public class TimingClassVisitor extends ClassVisitor {
    public TimingClassVisitor(ClassVisitor cv) {
        super(ASM9, cv);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        return new TimingMethodVisitor(mv, name);
    }
}

class TimingMethodVisitor extends MethodVisitor {
    private String methodName;

    public TimingMethodVisitor(MethodVisitor mv, String methodName) {
        super(ASM9, mv);
        this.methodName = methodName;
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
        mv.visitVarInsn(LSTORE, 1);
        super.visitCode();
    }

    @Override
    public void visitInsn(int opcode) {
        if ((opcode >= IRETURN && opcode <= RETURN) || opcode == ATHROW) {
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
            mv.visitVarInsn(LLOAD, 1);
            mv.visitInsn(LSUB);
            mv.visitVarInsn(LSTORE, 3);
            mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
            mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/StringBuilder");
            mv.visitInsn(DUP);
            mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/StringBuilder", "<init>", "()V", false);
            mv.visitLdcInsn("Method " + methodName + " took ");
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitVarInsn(LLOAD, 3);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(J)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitLdcInsn(" ns");
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "toString", "()Ljava/lang/String;", false);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
        }
        super.visitInsn(opcode);
    }
}

該訪客加入了程式碼來(lái)測(cè)量每個(gè)方法的執(zhí)行時(shí)間，並在方法返回時(shí)列印出來(lái)。

字節(jié)碼操作也可用於安全目的。例如，我們可以新增檢查以確保僅在經(jīng)過(guò)正確身份驗(yàn)證的情況下呼叫某些方法。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

public class SecurityCheckClassVisitor extends ClassVisitor {
    public SecurityCheckClassVisitor(ClassVisitor cv) {
        super(ASM9, cv);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        if (name.equals("sensitiveMethod")) {
            return new SecurityCheckMethodVisitor(mv);
        }
        return mv;
    }
}

class SecurityCheckMethodVisitor extends MethodVisitor {
    public SecurityCheckMethodVisitor(MethodVisitor mv) {
        super(ASM9, mv);
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/example/SecurityManager", "isAuthorized", "()Z", false);
        Label authorizedLabel = new Label();
        mv.visitJumpInsn(IFNE, authorizedLabel);
        mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/SecurityException");
        mv.visitInsn(DUP);
        mv.visitLdcInsn("Unauthorized access");
        mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/SecurityException", "<init>", "(Ljava/lang/String;)V", false);
        mv.visitInsn(ATHROW);
        mv.visitLabel(authorizedLabel);
        super.visitCode();
    }
}

該訪客在sensitiveMethod 的開頭新增了安全檢查。如果檢查失敗，則會(huì)拋出 SecurityException。

字節(jié)碼操作最強(qiáng)大的應(yīng)用之一是動(dòng)態(tài)程式碼最佳化。我們可以使用 ASM 在載入程式碼時(shí)進(jìn)行分析和最佳化。例如，我們可以實(shí)作一個(gè)簡(jiǎn)單的常數(shù)折疊最佳化：

public class ConstantFoldingClassVisitor extends ClassVisitor {
    public ConstantFoldingClassVisitor(ClassVisitor cv) {
        super(ASM9, cv);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        return new ConstantFoldingMethodVisitor(mv);
    }
}

class ConstantFoldingMethodVisitor extends MethodVisitor {
    public ConstantFoldingMethodVisitor(MethodVisitor mv) {
        super(ASM9, mv);
    }

    @Override
    public void visitInsn(int opcode) {
        if (opcode == IADD || opcode == ISUB || opcode == IMUL || opcode == IDIV) {
            if (mv instanceof InsnList) {
                InsnList insns = (InsnList) mv;
                AbstractInsnNode prev1 = insns.getLast();
                AbstractInsnNode prev2 = prev1.getPrevious();
                if (prev1 instanceof LdcInsnNode && prev2 instanceof LdcInsnNode) {
                    LdcInsnNode ldc1 = (LdcInsnNode) prev1;
                    LdcInsnNode ldc2 = (LdcInsnNode) prev2;
                    if (ldc1.cst instanceof Integer && ldc2.cst instanceof Integer) {
                        int val1 = (Integer) ldc1.cst;
                        int val2 = (Integer) ldc2.cst;
                        int result;
                        switch (opcode) {
                            case IADD: result = val2 + val1; break;
                            case ISUB: result = val2 - val1; break;
                            case IMUL: result = val2 * val1; break;
                            case IDIV: result = val2 / val1; break;
                            default: return;
                        }
                        insns.remove(prev1);
                        insns.remove(prev2);
                        mv.visitLdcInsn(result);
                        return;
                    }
                }
            }
        }
        super.visitInsn(opcode);
    }
}

該訪客尋找常數(shù)算術(shù)運(yùn)算並用結(jié)果取代它們。例如，它會(huì)在編譯時(shí)將 2 3 替換為 5。

字節(jié)碼操作也可用於實(shí)現(xiàn)面向方面程式設(shè)計(jì)（AOP）功能。我們可以使用 ASM 為現(xiàn)有程式碼新增橫切關(guān)注點(diǎn)，例如日誌記錄、交易管理或快取。這是新增事務(wù)管理的簡(jiǎn)單範(fàn)例：

<dependency>
    <groupId>org.ow2.asm</groupId>
    <artifactId>asm</artifactId>
    <version>9.2</version>
</dependency>

該訪客將事務(wù)管理程式碼新增至以「transaction」開頭的方法。它在方法開始時(shí)開始一個(gè)事務(wù)並在結(jié)束時(shí)提交它。

字節(jié)碼操作的另一個(gè)有趣的應(yīng)用是建立動(dòng)態(tài)代理。我們可以使用 ASM 在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生代理類，該代理類可用於延遲載入或遠(yuǎn)端方法呼叫等操作。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

public class LoggingClassVisitor extends ClassVisitor {
    public LoggingClassVisitor(ClassVisitor cv) {
        super(ASM9, cv);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        if (name.equals("targetMethod")) {
            return new LoggingMethodVisitor(mv);
        }
        return mv;
    }
}

class LoggingMethodVisitor extends MethodVisitor {
    public LoggingMethodVisitor(MethodVisitor mv) {
        super(ASM9, mv);
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
        mv.visitLdcInsn("Method called: targetMethod");
        mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
        super.visitCode();
    }
}

此生成器建立一個(gè)代理類，該代理類實(shí)作給定的介面並將所有方法呼叫委託給 InvocableHandler。

字節(jié)碼操作也可用於偵錯(cuò)和分析工具。我們可以使用 ASM 新增工具來(lái)幫助我們了解程式的行為方式。例如，我們可以加入程式碼來(lái)追蹤方法執(zhí)行路徑：

public class TimingClassVisitor extends ClassVisitor {
    public TimingClassVisitor(ClassVisitor cv) {
        super(ASM9, cv);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        return new TimingMethodVisitor(mv, name);
    }
}

class TimingMethodVisitor extends MethodVisitor {
    private String methodName;

    public TimingMethodVisitor(MethodVisitor mv, String methodName) {
        super(ASM9, mv);
        this.methodName = methodName;
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
        mv.visitVarInsn(LSTORE, 1);
        super.visitCode();
    }

    @Override
    public void visitInsn(int opcode) {
        if ((opcode >= IRETURN && opcode <= RETURN) || opcode == ATHROW) {
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
            mv.visitVarInsn(LLOAD, 1);
            mv.visitInsn(LSUB);
            mv.visitVarInsn(LSTORE, 3);
            mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
            mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/StringBuilder");
            mv.visitInsn(DUP);
            mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/StringBuilder", "<init>", "()V", false);
            mv.visitLdcInsn("Method " + methodName + " took ");
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitVarInsn(LLOAD, 3);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(J)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitLdcInsn(" ns");
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "toString", "()Ljava/lang/String;", false);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
        }
        super.visitInsn(opcode);
    }
}

該訪客在每個(gè)方法的入口和出口點(diǎn)新增日誌記錄，使我們能夠追蹤程式的執(zhí)行路徑。

最後，讓我們看看如何使用 ASM 來(lái)實(shí)作自訂類別載入器。這對(duì)於熱交換程式碼或?qū)嵶鞑寮到y(tǒng)等事情很有用：

public class SecurityCheckClassVisitor extends ClassVisitor {
    public SecurityCheckClassVisitor(ClassVisitor cv) {
        super(ASM9, cv);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        if (name.equals("sensitiveMethod")) {
            return new SecurityCheckMethodVisitor(mv);
        }
        return mv;
    }
}

class SecurityCheckMethodVisitor extends MethodVisitor {
    public SecurityCheckMethodVisitor(MethodVisitor mv) {
        super(ASM9, mv);
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/example/SecurityManager", "isAuthorized", "()Z", false);
        Label authorizedLabel = new Label();
        mv.visitJumpInsn(IFNE, authorizedLabel);
        mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/SecurityException");
        mv.visitInsn(DUP);
        mv.visitLdcInsn("Unauthorized access");
        mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/SecurityException", "<init>", "(Ljava/lang/String;)V", false);
        mv.visitInsn(ATHROW);
        mv.visitLabel(authorizedLabel);
        super.visitCode();
    }
}

這個(gè)類別載入器將給定的 ClassVisitor 應(yīng)用於它載入的每個(gè)類，允許我們?cè)谳d入類別時(shí)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

總之，使用 ASM 進(jìn)行 Java 字節(jié)碼操作是一項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)，它為增強(qiáng)和優(yōu)化 Java 應(yīng)用程式開闢了一個(gè)充滿可能性的世界。從新增日誌記錄和效能監(jiān)控到實(shí)現(xiàn)面向方面的程式功能和建立動(dòng)態(tài)代理，應(yīng)用程式種類繁多。雖然需要對(duì) Java 字節(jié)碼和 JVM 有深入的了解，但掌握這些技術(shù)可以大大增強(qiáng)我們編寫強(qiáng)大且靈活的 Java 應(yīng)用程式的能力。

我們的創(chuàng)作

一定要看看我們的創(chuàng)作：

我們?cè)诿襟w上

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JIT編譯器通過(guò)方法內(nèi)聯(lián)、熱點(diǎn)檢測(cè)與編譯、類型推測(cè)與去虛擬化、冗餘操作消除四種方式優(yōu)化代碼。 1.方法內(nèi)聯(lián)減少調(diào)用開銷，將頻繁調(diào)用的小方法直接插入調(diào)用處；2.熱點(diǎn)檢測(cè)識(shí)別高頻執(zhí)行代碼並集中優(yōu)化，節(jié)省資源；3.類型推測(cè)收集運(yùn)行時(shí)類型信息實(shí)現(xiàn)去虛擬化調(diào)用，提升效率；4.冗餘操作消除根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)刪除無(wú)用計(jì)算和檢查，增強(qiáng)性能。

什麼是實(shí)例初始器塊？ Jun 25, 2025 pm 12:21 PM

實(shí)例初始化塊在Java中用於在創(chuàng)建對(duì)象時(shí)運(yùn)行初始化邏輯，其執(zhí)行先於構(gòu)造函數(shù)。它適用於多個(gè)構(gòu)造函數(shù)共享初始化代碼、複雜字段初始化或匿名類初始化場(chǎng)景，與靜態(tài)初始化塊不同的是它每次實(shí)例化時(shí)都會(huì)執(zhí)行，而靜態(tài)初始化塊僅在類加載時(shí)運(yùn)行一次。

什麼是工廠模式？ Jun 24, 2025 pm 11:29 PM

工廠模式用於封裝對(duì)象創(chuàng)建邏輯，使代碼更靈活、易維護(hù)、松耦合。其核心答案是：通過(guò)集中管理對(duì)象創(chuàng)建邏輯，隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，支持多種相關(guān)對(duì)象的創(chuàng)建。具體描述如下：工廠模式將對(duì)象創(chuàng)建交給專門的工廠類或方法處理，避免直接使用newClass()；適用於多類型相關(guān)對(duì)象創(chuàng)建、創(chuàng)建邏輯可能變化、需隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的場(chǎng)景；例如支付處理器中通過(guò)工廠統(tǒng)一創(chuàng)建Stripe、PayPal等實(shí)例；其實(shí)現(xiàn)包括工廠類根據(jù)輸入?yún)?shù)決定返回的對(duì)象，所有對(duì)象實(shí)現(xiàn)共同接口；常見變體有簡(jiǎn)單工廠、工廠方法和抽象工廠，分別適用於不同複雜度的需求。

變量的最終關(guān)鍵字是什麼？ Jun 24, 2025 pm 07:29 PM

InJava,thefinalkeywordpreventsavariable’svaluefrombeingchangedafterassignment,butitsbehaviordiffersforprimitivesandobjectreferences.Forprimitivevariables,finalmakesthevalueconstant,asinfinalintMAX_SPEED=100;wherereassignmentcausesanerror.Forobjectref

什麼是類型鑄造？ Jun 24, 2025 pm 11:09 PM

類型轉(zhuǎn)換有兩種：隱式和顯式。 1.隱式轉(zhuǎn)換自動(dòng)發(fā)生，如將int轉(zhuǎn)為double；2.顯式轉(zhuǎn)換需手動(dòng)操作，如使用(int)myDouble。需要類型轉(zhuǎn)換的情況包括處理用戶輸入、數(shù)學(xué)運(yùn)算或函數(shù)間傳遞不同類型的值時(shí)。需要注意的問(wèn)題有：浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)整數(shù)會(huì)截?cái)嘈?shù)部分、大類型轉(zhuǎn)小類型可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、某些語(yǔ)言不允許直接轉(zhuǎn)換特定類型。正確理解語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換規(guī)則有助於避免錯(cuò)誤。

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掌握 Java 字節(jié)碼：使用 ASM 函式庫(kù)增強(qiáng)應(yīng)用程式的功能

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