java动态代理——jvm指令集基本概念和方法字节码结构的进一步探究及proxy源码分析四

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本系列文章主要是博主在学习spring aop的过程中了解到其使用了java动态代理，本着究根问底的态度，于是对java动态代理的本质原理做了一些研究，于是便有了这个系列的文章

上一篇文章详细分析了class字节码结构中的field_info和method_info，以及对应的Proxy的源码。本文将会更详细的分析method_info中的方法执行体部分，也就是attributes中的Code

因为方法的字节码涉及到了jvm的操作指令，因此我们先做一个基础性的了解

原文地址：https://dzone.com/articles/introduction-to-java-bytecode
jvm指令文档：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html
文中开始介绍的堆、栈、方法区等概念这里就不详细描述了，主要看它后面对一些简单方法的字节码的解析
首先我们定义一个简单的类

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = a + b;
    }
}

编译生成Test.class

javac Test.java

查看字节码结构

javap -v Test.class

我们关注其中的main方法部分

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iconst_2
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: iadd
         7: istore_3
         8: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 2
        line 5: 4
        line 6: 8

其中的Code正是方法的执行体，下面按照顺序图解具体操作

iconst_1：将常量1压入操作栈

istore_1：弹出栈顶的操作数，存入栈的本地变量数组的索引1，也就是变量a

 iconst_2：将常量2压入操作栈

 istore_2：弹出栈顶的操作数，存入栈的本地变量数组的索引2，也就是变量b

 iload_1：从本地变量索引1种读取值，并压入操作栈

iload_2：从本地变量索引2种读取值，并压入操作栈

 iadd：弹出栈顶的2个操作数，相加后将结果压入操作栈

 istore_3：弹出栈顶的操作数，存入栈的本地变量数组的索引3，也就是变量c

 return：从方法返回

如果我们在类中定义一个方法

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = calc(a, b);
    }
    static int calc(int a, int b) {
        return (int) Math.sqrt(Math.pow(a, 2) + Math.pow(b, 2));
    }
}

得到的字节码如下，这次我把部分Constant pool也展示在下面

Constant pool:
   #1 = Methodref          #8.#19         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Methodref          #7.#20         // Test.calc:(II)I
   #3 = Double             2.0d
   #5 = Methodref          #21.#22        // java/lang/Math.pow:(DD)D
   #6 = Methodref          #21.#23        // java/lang/Math.sqrt:(D)D
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iconst_2
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iload_2
         6: invokestatic  #2                  // Method calc:(II)I
         9: istore_3
        10: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 2
        line 5: 4
        line 6: 10

  static int calc(int, int);
    descriptor: (II)I
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=6, locals=2, args_size=2
         0: iload_0
         1: i2d
         2: ldc2_w        #3                  // double 2.0d
         5: invokestatic  #5                  // Method java/lang/Math.pow:(DD)D
         8: iload_1
         9: i2d
        10: ldc2_w        #3                  // double 2.0d
        13: invokestatic  #5                  // Method java/lang/Math.pow:(DD)D
        16: dadd
        17: invokestatic  #6                  // Method java/lang/Math.sqrt:(D)D
        20: d2i
        21: ireturn
      LineNumberTable:
        line 8: 0

这里我们主要看一下一些新出现的操作指令
在main方法中，编号6
invokestatic #2：调用静态方法，方法在Constant Pool中索引为2，表示Test.calc方法（这里特别注意，调用的方法目标必须是常量池中的一个有效索引）
在cacl方法中
i2d：将int类型的转换成double类型的
ldc2_w：将long型或者double型（思考一下为何是这2种类型放在同一个操作指令中）从静态池中压入栈
dadd：将double相加
d2i：将double类型转换成int类型
ireturn：返回一个int

将上面的jvm指令结合java代码，就可以初步理解每一行java代码究竟是如何被jvm执行的了

接下去我们可以通过Proxy的代码结合实际来看看

方法还是generateClassFile()
在上一篇文章的第三部分字节与方法字节码的写入中，有提到

这里的第一行，正是写入构造器的字节码，这一部分因为涉及到jvm的执行指令，我们放到下篇文章再详细看，所以这里先跳过

this.methods.add(this.generateConstructor());

此时我们就可以详细看下generateConstructor方法究竟干了什么

特别注意的是，这里的var2表示的是方法的执行体部分，也就是在上一篇文章中，我们提到的方法attributes中的一个：Code

private ProxyGenerator.MethodInfo generateConstructor() throws IOException {
    ProxyGenerator.MethodInfo var1 = new ProxyGenerator.MethodInfo("", "(Ljava/lang/reflect/InvocationHandler;)V", 1);
    DataOutputStream var2 = new DataOutputStream(var1.code);
    this.code_aload(0, var2);
    this.code_aload(1, var2);
    var2.writeByte(183);
    var2.writeShort(this.cp.getMethodRef("java/lang/reflect/Proxy", "", "(Ljava/lang/reflect/InvocationHandler;)V"));
    var2.writeByte(177);
    var1.maxStack = 10;
    var1.maxLocals = 2;
    var1.declaredExceptions = new short[0];
    return var1;
}

接下一行一行分析

初始化MethodInfo对象，3个参数分别是，方法名、方法描述、access_flag，1表示public（参见Modifier.java）

因为是构造函数，所以方法名为

方法的描述表示，该方法获取一个java.lang.reflect.InvocationHandler类型的参数，返回值为V（表示void）

方法的access_flag为1，表示public

ProxyGenerator.MethodInfo var1 = new ProxyGenerator.MethodInfo("", "(Ljava/lang/reflect/InvocationHandler;)V", 1);

在Code中写入aload_0和aload_1操作指令

this.code_aload(0, var2);
this.code_aload(1, var2);

在Code中写入183号操作指令，查文档得：invokespecial

调用实例方法，特别用来处理父类的构造函数

var2.writeByte(183);

在Code中写入需要调用的方法名和方法的参数

注意，这里的方法是通过this.cp.getMethodRef方法得到的，也就是说，这里写入的最终数据，其实是一个符合该方法描述的常量池中的一个有效索引（这部分知识可以参看之前的3篇文章）

var2.writeShort(this.cp.getMethodRef("java/lang/reflect/Proxy", "", "(Ljava/lang/reflect/InvocationHandler;)V"));

在Code中写入177号指令，查文档得：return

返回void

var2.writeByte(177);

和上一篇文章中提到的一样，最后还需要写入栈深和本地变量数量，以及方法会抛出的异常数量，因为构造函数不主动抛出异常，所以异常数量直接为0

注意这里并非是直接writeByte，而是对MethodInfo的属性做了一个设置，这部分的字节码依然会在MethodInfo的write方法中写入，参见上一篇文章

var1.maxStack = 10;
var1.maxLocals = 2;
var1.declaredExceptions = new short[0];

到此，一个构造方法的结构就完成了

此时我们总结一下该构造函数的结构，当我们查看class文件的结构时，应当是下面这种结构

aload_0;
aload_1;
invokespecial  #x  //这里x对应Constant pool中构造函数的编号
return;

验证一下，我们建立一个类

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Proxy;

public class Test extends Proxy {
    protected TestClass(InvocationHandler h) {
        super(h);
    }
}

查看其字节码

protected Test(java.lang.reflect.InvocationHandler);
    descriptor: (Ljava/lang/reflect/InvocationHandler;)V
    flags: ACC_PROTECTED
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: aload_1
         2: invokespecial #1                  // Method java/lang/reflect/Proxy."":(Ljava/lang/reflect/InvocationHandler;)V
         5: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 5

正和我们之前总结的一模一样

结合之前的一些jvm指令的基本描述，我们就可以对method_info的正题结构有了更深入的了解

本文中我们初步了解了方法执行体Code的结构，jvm指令的基本概念，那么在下一篇文章中，我们将会继续探究Proxy的最核心的部分，代理方法的Code部分的结构及其实际实现