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ASM指南翻译-8

 
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 3方法

这一章节将解释如何使用ASM核心API生成和转换编译后的方法。首先介绍编译后的方法的表现形式,然后介绍相关的ASM接口,组件以及工具,结合很多说明性的示例讲解如何生成和转换方法。

 

3.1结构

在编译后的类中,方法的代码是以字节码指令序列保存的。为了生成和转换这些类,我们必须了解这些指令以及它们如何工作。这个章节将粗略的讲解一下这些指令,但是这已足够我们去编写一些简单的类(我认为这里应该是方法)生成工具和转换工具。如果希望查看这些指令的完整定义,请参看java虚拟机规范。

 

3.1.1执行模型

在介绍字节码指令之前,需要先介绍一下java虚拟机的执行模型。如你所知,java代码是在线程中被执行的。每个线程都有它自己的执行栈,这个栈由很多帧组成。每个帧代表了一个方法调用:每当一个方法被调用时,就会创建一个新的帧,然后将这个帧放到当前线程的执行栈的栈顶。当这个方法正常返回时,或者发生了异常,这个帧就会从执行栈顶弹出,然后虚拟机会接着执行下一个位于执行栈栈顶的帧。

 

每个帧都包含两部分:一个局部变量区和一个操作数栈区。局部变量区包含了方法中定义的局部变量,可以通过索引值来随即访问。操作数栈区,如它的名字暗示,它是一个包含操作数的栈,这些数据被字节码指令所使用。这意味着这个栈中的数据只能以后进先出的顺序访问。注意,不要把操作数栈和线程的执行栈混淆:在执行栈中的每个帧都包含它自己的操作数栈。

 

局部变量区和操作数栈的大小是由方法中的代码决定的。它们的大小是在编译时计算的,然后随着字节码指令一起存储在编译后的类中。结果是,对同一个方法的调用的所有帧的局部变量和操作数栈大小都相同,不同的方法调用的帧的局部变量和操作数栈大小不同。




3.1 一个包含3个帧的执行栈

 

3.1展示了一个简单执行栈,包含3个帧。第一个帧包含3个局部变量,操作数栈大小为4,包含2个值。第二个帧包含2个局部变量,操作数栈中包含2个值。第三个帧位于执行栈的栈顶,包含4个局部变量和2个操作数。

 

当帧被创建的时候,操作数栈初始化为空,局部变量包含当前对象的引用this(非静态方法)以及方法的参数。例如a.equals(b)会创建一个帧,它包含一个空的操作数栈,第一个和第二个局部变量为ab(其它的局部变量未被初始化)。

 

局部变量区和操作数栈区的每一个插槽(图3.1中的方框)都能存储java中的任何值,除了long型和double型的值。因为longdouble值需要2个插槽,这增加了局部变量管理的复杂性:例如ith 方法的参数就没必要保存在局部变量i中(有疑问)。Math.max(1L,2L)会创建一个帧,第一个局部变量值为1L,占用前两个插槽,第二个局部变量值为2L,占据第三个和第四个插槽。

 

3.1.2字节码指令

一个字节码指令由一个指示指令的操作码和固定数量的参数:

 

  • opcode是一个无符号字节数值 字节码的名称是由助记符表示。例如,操作码0的助记符为NOP,其对应的指令不做任何事情。
  • 参数都是静态的值,定义了精确的指令行为。它们放置在操作码之后。例如,GOTO标签指令,它的操作码是167,需要一个参数label,这个label指定了下一条将被执行的指令。在这里不要将指令参数和指令操作数混淆:这里的参数是静态已知的并且被保存在编译后的代码中,而操作数的值来自操作数栈,它们在运行时才可知。

 

字节码指令可以划分为两类:将局部变量的值传递到操作数栈的一小部分指令集,另外一部分指令在操作数栈上进行操作:它们取得栈顶上的一些数据,进行计算,获得结果,然后将结果放回栈顶。

 

ILOAD,LLOAD,FLOAD,DLOADALOAD指令读取一个局部变量的值,然后将它放置到操作数栈,这些指令的参数就是需要读取的局部变量的索引值iILOAD被用来加载一个booleancharshort以及int局部变量。LLOADFLOADDLOAD用来加载long,float或者double值,注意LLOADDLOAD实际加载了ii+1插槽上的值。最后,ALOAD是用来加载那些非基本类型的值,如对象和数组引用。相对地,ISTORE,LSTORE,FSTORE,DSTOREASTORE指令是用来从操作数栈取得相应的数据然后保存会局部变量,它们的参数也是索引值i

 

如你前面所见,XLOADXSTORE指令是区分类型的(事实上,包括你即将在下面看到的,几乎所有的指令都是区分类型的)。这样做主要是为了确保不进行非法的类型转换。当然,以不同的类型从局部变量中加载一个值也是合法的。例如,ISTORE 1 ALOAD 1这样的序列是合法的。当然,允许保存一个任意的内存地址到一个索引为1局部变量中,然后转换这个地址为一个对象引用。能够以不同于当前存储在局部变量中的类型来保存到另一个变量中,这样做是很完美的。这意味着一个局部变量的类型,或者存储在这个局部变量中值的类型,可以在方法的执行过程中改变。

 

如上面所说,其它的指令都是仅针对操作数栈进行操作的。它们可以分为以下几类(参看附录A.1:

Stack 这些指令是用来操作栈中的数据:POP弹出栈顶的数据,DUP复制栈顶的数据然后放回栈顶,SWAP交换位于栈顶上的两个数据。

 

Constants 这些指令用来将一个常量值放置到操作数栈:ACONST_NULL放置null值到栈顶,ICONST_0放置int类型的0到栈顶,FCONST_0放置float类型的0值到栈顶,DCONST_0放置double类型的0值,BIPUSH b放置字节值b到栈顶,SIPUSH s放置short类型的值s到栈顶。LDC cst放置intfloatlongdoubleString或者class类型的常量cst到栈顶。

 

算术和逻辑操作 这些指令从操作数栈弹出数值进行计算,然后将结果放回栈顶。它们没有任何参数。XADD,xSUBXmulxDIV,和xREM与算术操作符+,-,*,/%对应,这里的xI,L,F或者D。同样地,这里还包含其它的指令,如<<,>>,|,&,^等针对intlong值的指令。

 

Casts 这些指令从栈弹出一个数据,然后将其转换为另外一个类型,然后返回栈顶。它们与java中的类型转换对应。I2F,F2D,L2D等,将数值从一种类型转换为另外一种类型。CHECKCAST t转换一个引用值类型为t

 

Objects 这些指令是用来创建对象,以及锁定对象,测试它们的类型等。例如,NEW type指令创建一个新对象,然后放回栈(type表示内部名称)。

 

Fields 这些指令用来读取或者写入字段的值。GETFIELD owner name desc弹出一个对象的引用,然后将该对象字段名称为name的值放置到栈中。PUTFIELD owner name desc从栈中弹出一个值和一个对象引用,然后将这个值保存到这个对象的name字段中。在这两种情形中,对象必须是owner类型,它的字段必须是desc描述的类型。GETSTATICPUTSTATIC指令与上面指令类型,只是它们用作静态字段。

 

Methods 这些指令用来调用方法或者构造方法。它们从栈顶弹出方法的参数,以及目标对象,然后将方法执行结果放回栈顶。INVOKEVIRTUAL owner name desc调用类型为owner 方法名为name,并且方法描述符为desc的方法。INVOKESTATIC用来调用静态方法。INVOKESPECIAL用来调用私有方法和构造方法。INVOKEINTERFACE用来调用定义在接口中的方法。

 

Arrays 这些指令用来读取和写入数组中的值。xALOAD指令从栈上弹出一个索引值和一个数组,然后将索引值所对应的数组元素放回栈。xSTORE指令从站上弹出一个值,一个索引以及一个数组,然后将值保存到索引对应的数组元素中。这里的x可以是I,L,F,D或者A,也可以是B,C或者S

 

Jumps 这些指令在某些条件为真或者为假的时候,跳转到任意一条指令。它们是用来编译if,for,do,while,breakcontinue等指令的。例如,IFEQ label 从栈上弹出一个int值,如果这个值为0,就跳转到label表示的指令(否则执行流程将按正常流程执行下一条指令)。这里还有其它的一些跳转指令,如IFNE,或者IFGE等。最后,TABLESWITCHLOOKUPSWITCH指令与java中的switch对应。

 

Return  xRETURNRETURN指令是用来终止一个方法的执行,并将结果返回给调用者。RETURN针对无返回值的方法,而xRETURN针对其它有返回值的方法。

 

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