ASM

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Java 虚拟机编程数据结构 AOP

ASM 是一个 Java 字节码操控框架。它能被用来动态生成类或者增强既有类的功能。ASM 可以直接产生二进制 class 文件，也可以在类被加载入 Java 虚拟机之前动态改变类行为。Java class 被存储在严格格式定义的 .class 文件里，这些类文件拥有足够的元数据来解析类中的所有元素：类名称、方法、属性以及 Java 字节码（指令）。ASM 从类文件中读入信息后，能够改变类行为，分析类信息，甚至能够根据用户要求生成新类。
与 BCEL 和 SERL 不同，ASM 提供了更为现代的编程模型。对于 ASM 来说，Java class 被描述为一棵树；使用 “Visitor” 模式遍历整个二进制结构；事件驱动的处理方式使得用户只需要关注于对其编程有意义的部分，而不必了解 Java 类文件格式的所有细节：ASM 框架提供了默认的 “response taker”处理这一切。
所谓 Java 类文件，就是通常用 javac 编译器产生的 .class 文件。这些文件具有严格定义的格式。为了更好的理解 ASM，首先对 Java 类文件格式作一点简单的介绍。Java 源文件经过 javac 编译器编译之后，将会生成对应的二进制文件（如下图所示）。每个合法的 Java 类文件都具备精确的定义，而正是这种精确的定义，才使得 Java 虚拟机得以正确读取和解释所有的 Java 类文件。
图 2. ASM – Javac 流程

Java 类文件是 8 位字节的二进制流。数据项按顺序存储在 class 文件中，相邻的项之间没有间隔，这使得 class 文件变得紧凑，减少存储空间。在 Java 类文件中包含了许多大小不同的项，由于每一项的结构都有严格规定，这使得 class 文件能够从头到尾被顺利地解析。下面让我们来看一下 Java 类文件的内部结构，以便对此有个大致的认识。
例如，一个最简单的 Hello World 程序：
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Hello world");
}
}

经过 javac 编译后，得到的类文件大致是：
图3: ASM – Java 类文件

图 3. ASM – Java 类文件

从上图中可以看到，一个 Java 类文件大致可以归为 10 个项：
• Magic：该项存放了一个 Java 类文件的魔数（magic number）和版本信息。一个 Java 类文件的前 4 个字节被称为它的魔数。每个正确的 Java 类文件都是以 0xCAFEBABE 开头的，这样保证了 Java 虚拟机能很轻松的分辨出 Java 文件和非 Java 文件。
• Version：该项存放了 Java 类文件的版本信息，它对于一个 Java 文件具有重要的意义。因为 Java 技术一直在发展，所以类文件的格式也处在不断变化之中。类文件的版本信息让虚拟机知道如何去读取并处理该类文件。
• Constant Pool：该项存放了类中各种文字字符串、类名、方法名和接口名称、final 变量以及对外部类的引用信息等常量。虚拟机必须为每一个被装载的类维护一个常量池，常量池中存储了相应类型所用到的所有类型、字段和方法的符号引用，因此它在 Java 的动态链接中起到了核心的作用。常量池的大小平均占到了整个类大小的 60% 左右。
• Access_flag：该项指明了该文件中定义的是类还是接口（一个 class 文件中只能有一个类或接口），同时还指名了类或接口的访问标志，如 public，private, abstract 等信息。
• This Class：指向表示该类全限定名称的字符串常量的指针。
• Super Class：指向表示父类全限定名称的字符串常量的指针。
• Interfaces：一个指针数组，存放了该类或父类实现的所有接口名称的字符串常量的指针。以上三项所指向的常量，特别是前两项，在我们用 ASM 从已有类派生新类时一般需要修改：将类名称改为子类名称；将父类改为派生前的类名称；如果有必要，增加新的实现接口。
• Fields：该项对类或接口中声明的字段进行了细致的描述。需要注意的是，fields 列表中仅列出了本类或接口中的字段，并不包括从超类和父接口继承而来的字段。
• Methods：该项对类或接口中声明的方法进行了细致的描述。例如方法的名称、参数和返回值类型等。需要注意的是，methods 列表里仅存放了本类或本接口中的方法，并不包括从超类和父接口继承而来的方法。使用 ASM 进行 AOP 编程，通常是通过调整 Method 中的指令来实现的。
• Class attributes：该项存放了在该文件中类或接口所定义的属性的基本信息。
ASM 通过树这种数据结构来表示复杂的字节码结构，在 ASM 中，提供了一个 ClassReader 类，这个类可以直接由字节数组或由 class 文件间接的获得字节码数据，它能正确的分析字节码，构建出抽象的树在内存中表示字节码。它会调用 accept 方法，这个方法接受一个实现了 ClassVisitor 接口的对象实例作为参数，然后依次调用 ClassVisitor 接口的各个方法。ASM 的最终的目的是生成可以被正常装载的 class 文件，因此其框架结构为客户提供了一个生成字节码的工具类 —— ClassWriter。它实现了 ClassVisitor 接口，而且含有一个 toByteArray() 函数，返回生成的字节码的字节流，将字节流写回文件即可生产调整后的 class 文件。

ClassReader cr = new ClassReader("Person");
ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
cr.accept(cw, ClassReader.SKIP_DEBUG);
byte[] data = cw.toByteArray();