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2使用ASM

类文件是一个二进制文件,要程序员直接阅读和编写,是很困难的,应使用一些辅助工具软件.目前这方面最成熟、最受欢迎的是ASM,它是一个开源软件,相比于其他类似软件,ASM更小更快,也提供了更好的编程模型[3].它还附有代码生成工具和eclipse插件,可以在良好的人机界面下开展工作.ASM提供了两套API,一套类似于处理XML文件的SAX,由扫描类文件产生的一系列事件驱动,采用访问者模式进行处理.另一套类似于DOM,基于扫描类文件获得的语法树进行处理,两套方法各有优缺点,前者速度快,所需内存少,而后者能进行更全面的控制.

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以前套方法为例,ASM提供了类解析器ClassReader,能够扫描解析类文件,并发出各驱动事件；提供类生成器ClassWriter,按合适的次序调用能生成包含各种元素的二进制类文件.ASM还有ClassVisitor、FieldVisitor、MethodVisitor、AnnotationVisitor等抽象类,为访问类文件中各元素定义了相应的visit方法,也按类文件的格式要求规定了调用次序.用户只要制作子类,用自己的处理逻辑覆盖相应方法,无须关注字节偏移量、常量池索引号等底层细节,就可实现从相关信息的检测、获取到运行代码的生成、修改等各种功能.

典型的代码结构如图2所示,由若干ClassReader、ClassVisitor子类、ClasssWriter组成一处理链.每个ClassVisitor子类通过对事件的过滤、变换、转发,实现自己特定的功能.它可以原样传送事件,保持对应元素不变；也可以改变事件参数,导致相应元素的修改；或者忽略某一事件不作转发,完成元素删除；还可以引入新的事件,注入新增加的元素.复杂情况下也可将这些对象组成网状结构,以完成多个类文件间的相互参照引用、合并、拆分等处理[5].学生只需了解类文件结构,熟悉设计模式中的访问者模式,这种修改、生成类文件的方法应是比较容易掌握的.

[ClasssWritercw等于newClassWriter（）；

ClassVisitorc1等于newSubClassVisitor1（cw）,c2等于newSubClassVisitor2（c1）；

ClassReadercr等于newClassReader（类文件）.accept（c2,0）；byte[]b等于cw.toByteArray（）；]

图2处理代码基本结构

3熟悉Bytecode

用ASM直接生成类文件的工作是在JVM的底层展开的,应尽可能用于简单处理.复杂的处理还是直接使用高级语言Java较为妥当,这样就能进行良好的隔离、封装,将它们组织成可组合使用的基本单元.在此基础上再动态生成一些指令,按需访问、调用它们,完成所希望的处理.这些指令需要按照某种特定逻辑在运行时添加、改变、删除处理对象和运算步骤,如果直接生成还是感觉困难,依然可以先用Java编写一程序模版,确定处理的基本框架和各核心元素,运行时再以此为基础在指令层面上进行简单的增删和替换.

除了简单的类型或名字修改,以及数据或方法整体的增、删、替换外,其他处理一般都牵涉到Bytecode代码,因此有必要熟悉它们.JVM是一个堆栈型机器,所有的局部变量存储和运算操作都在堆栈中实现,没有寄存器,也不需要复杂的寻址方式,因此指令系统相对简单,名义上它有200多条指令[1],但经过归纳整理,实际只有不到50条不同指令（见表1）,多种变化只是根据数据类型、判断条件而有规则添加的前后缀,完全可以举一反三,学习起来比真实的CPU如8086等要容易得多.指令大体可以分为三类.

⑴堆栈操作：用于为后续操作或方法调用,在栈顶配置需要的数据,或取得运算结果.它包括局部变量、对象/类数据成员、数组元素的进出栈,常量的进栈,栈顶元素的复制、交换等.

⑵运算操作：指定需要完成的运算,包括算术和逻辑运算,类型转换等,对于对象还有构造、判定等操作.

⑶流程控制：用于改变执行流程,包括各种转移指令、方法调用和返回指令.

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这些指令恐怕是相关内容中最繁杂的部分,教学的关键是要让学生理解JVM运行时的栈帧结构,指令也应着重介绍动态代码生成时常用的部分,主要是各种方法调用,数据访问,以及为此而必须进行的堆栈准备,表1中列出了堆栈和控制部分的相关指令.

表1JVM指令系统

[堆栈＼&各类变量入/出栈＼&①load⑥、①store⑥、①aload、①astore、get②、put②＼&常量和栈顶处理＼&①const_⑥、bipush、sipush、ldc⑦、pop③、dup③、swap＼&运算＼&算术运算＼&①add、①sub、①mul、①div、①rem、①neg、iinc、①cmp⑥＼&位或逻辑运算＼&①shl、①shr、①ushr、①and、①or、①xor＼&转换、构造和判定＼&①2①、checkcast、new、④newarray、instanceof、arraylength＼&控制＼&方法调用和其他＼&invoke②、monitorenter、monitorexit、nop＼&条件判断＼&if⑤、if_icmp⑤、if_acmp⑤、ifnull、ifnonnull＼&转移和返回＼&goto⑦、tableswitch、lookupswitch、①return、athrow、jsr⑦、ret＼&①按数据类型＼&②按成员属性＼&③按所需的堆栈要求＼&④按创建的数组类型＼&⑤按判断条件＼&⑥按操作要求＼&⑦按数据宽度＼&在此处填入相应内容＼&]

4掌握类装载机制

二进制类文件只有通过装载机制装入JVM才能发挥作用.通常情况下JVM只能根据classpath等预先指定的路径搜索并载入已有文件.所以对于运行时动态生成的二进制代码,需要另行设法导入,才能正常使用.这就需要理解Java的类装载机制.

Java类是在运行时按需动态装载的.虚拟机中有多个类装载器,负责获取不同来源的类文件.除了启动类装载器（BootstrapClassLoader）,其他都继承自抽象类ClassLoader[2].一般情况下,多个类加载器之间采用双亲委派模型组成一装载器树,以保证类代码的惟一性.类文件从装载到可以使用要经过载入、链接、初始化等阶段[4],载入阶段获取需要的二进制数据文件,链接阶段包含了代码合法性验证、存储空间获取和可选的引用类解析等操作.

因此,要能在运行时载入动态生成的代码,可以通过定义自己的类装载器完成.作为父类的ClassLoader有几个关键方法：