какая команда используется для выполнения байт кода
Java Bytecode Fundamentals
Разработчики приложений на Java обычно не нуждаются в знании о байт-коде, выполняющемся в виртуальной машине, однако тем, кто занимается разработкой современных фреймворков, компиляторов или даже инструментов Java может понадобиться понимание байт-кода и, возможно, даже понимание того, как его использовать в своих целях. Несмотря на то, что специальные библиотеки типа ASM, cglib, Javassist помогают в использовании байт-кода, необходимо понимание основ для того, чтобы использовать эти библиотеки эффективно.
В статье описаны самые основы, от которых можно отталкиваться в дальнейшем раскапывании данной темы (прим. пер.).
Давайте начнём с простого примера, а именно POJO с одним полем и геттером и сеттером для него.
Когда вы скомпилируете класс, используя команду javac Foo.java, у вас появится файл Foo.class, содержащий байт-код. Вот как его содержание выглядит в HEX-редакторе:
Каждая пара шестнадцатеричных чисел (байт) переводится в опкоды (мнемоника). Было бы жестоко попытаться прочитать это в двоичном формате. Давайте перейдем к мнемоничному представлению.
Класс очень простой, поэтому будет легко увидеть связь между исходным кодом и сгенерированным байт-кодом. Первым делом мы видим, что в байт-код-версии класса компилятор вызывает конструктор по умолчанию (как и написано в спецификациях JVM).
Далее, изучая байт-кодовые инструкции (у нас это aload_0 и aload_1), мы видим, что некоторые из них имеют префиксы типа aload_0 и istore_2. Это относится к типу данных, с которыми оперирует инструкция. Префикс «a» обозначает, что опкод управляет ссылкой на объект. «i», соответственно, управляет integer.
Теперь видно, что это за странные операнды. Например, #2:
const #2 = Field #3.#18; // Foo.bar:Ljava/lang/String;
const #3 = class #19; // Foo
const #18 = NameAndType #5:#6;// bar:Ljava/lang/String;
Отметим, что, каждый код операции помечен номером (0: aload_0). Это указание на позицию инструкции внутри фрейма — дальше объясню, что это значит.
Чтобы понять, как работает байт-код, достаточно взглянуть на модель выполнения. JVM использует модель выполнения на основе стеков. Каждый тред имеет JVM-стек, содержащий фреймы. Например, если мы запустим приложение в дебаггере, то увидим следующие фреймы:
При каждом вызове метода создается новый фрейм. Фрейм состоит из стека операнда, массива локальных переменных и ссылку на пул констант класса выполняемого метода.
Размер массива локальных переменных определяется во время компиляции в зависимости от количества и размера локальных переменных и параметров метода. Стек операндов — LIFO-стек для записи и удаления значений в стеке; размер также определяется во время компиляции. Некоторые опкоды добавляют значения в стек, другие берут из стека операнды, изменяют их состояние и возвращают в стек. Стек операндов также используется для получения значений, возвращаемых методом (return values).
Байткод для этого метода состоит из трёх опкодов. Первый опкод, aload_0, проталкивает в стек значение с индексом 0 из таблицы локальных переменных. Ссылка this в таблице локальных переменных для конструкторов и instance-методов всегда имеет индекс 0. Следующий опкод, getfield, достает поле объекта. Последняя инструкция, areturn, возвращает ссылку из метода.
Так, байткод для метода getBar — 2A B4 00 02 B0. 2A относится к инструкции aload_0, B0 — к areturn. Может показаться странным, что байткод для метода имеет три инструкции, а в массиве байт 5 элементов. Это связано с тем, что getfield (B4) нуждается в двух параметрах (00 02), занимающих позиции 2 и 3 в массиве, отсюда и 5 элементов в массиве. Инструкция areturn сдвигается на 4 позицию.
Таблица локальных переменных
Для иллюстрации того, что происходит с локальными переменными, воспользуемся ещё одним примером:
Здесь две локальных переменных — параметр метода и локальная переменная int b. Вот как выглядит байт-код:
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 6 0 this LExample;
0 6 1 a I
2 4 2 b I
Метод загружает константу 1 с помощью iconst_1 и ложит её в локальную переменную 2 с помощью istore_2. Теперь в таблице локальных переменных слот 2 занят переменной b, как и ожидалось. Далее, iload_1 загружает значение в стек, iload_2 загружает значение b. iadd выталкивает 2 операнда из стека, добавляет их и возвращает значение метода.
Обработка исключений
Интересный пример того, какой получается байт-код в случае с обработкой исключений, например, для конструкции try-catch-finally.
Байт-код для метода foo():
Компилятор генерирует код для всех сценариев, возможных внутри блока try-catch-finally: finallyMethod() вызывается три раза(!). Блок try скомпилировался так, как будто try не было и он был объединён с finally:
0: aload_0
1: invokespecial #2; //Method tryMethod:()V
4: aload_0
5: invokespecial #3; //Method finallyMethod:()V
Если блок выполняется, то инструкция goto перекидывает выполнение на 30-ю позицию с опкодом return.
Если tryMethod бросит Exception, будет выбран первый подходящий (внутренний) обработчик исключений из таблицы исключений. Из таблицы исключений мы видим, что позиция с перехватом исключения равна 11:
0 4 11 Class java/lang/Exception
Это перекидывает выполнение на catchMethod() и finallyMethod():
11: astore_1
12: aload_0
13: invokespecial #5; //метод catchMethod:()V
16: aload_0
17: invokespecial #3; //метод finallyMethod:()V
Если в процессе выполнения будет брошено другое исключение, мы увидим, что в таблице исключений позиция будет равна 23:
0 4 23 any
11 16 23 any
23 24 23 any
Инструкции, начиная с 23:
23: astore_2
24: aload_0
25: invokespecial #3; //Method finallyMethod:()V
28: aload_2
29: athrow
30: return
Так что finallyMethod() будет выполнен в любом случае, с aload_2 и athrow, бросающим необрабатываемое исключение.
Это всего лишь несколько моментов из области байткода JVM. Большинство было почерпнуто из статьи developerWorks Peter Haggar — Java bytecode: Understanding bytecode makes you a better programmer. Статья немного устарела, но до сих пор актуальна. Руководство пользователя BCEL содержит достойное описание основ байт-кода, поэтому я предложил бы почитать его интересующимся. Кроме того, спецификация виртуальной машины также может быть полезным источником информации, но ее нелегко читать, кроме этого отсутствует графический материал, который бывает полезным при понимании.
В целом, я думаю, что понимание того, как работает байт-код, является важным моментом в углублении своих знаний в Java-программировании, особенно для тех, кто присматривается к фреймворкам, компиляторам JVM-языков или другим утилитам.
Введение в байт-код Java
May 15 · 6 min read
Каждому Java-разработчику известно, какую роль в экосистеме языка играет JVM. Однако большинство не разбирается в том, как работает JVM под капотом. Хотя для разработки на Java это не обязательно, код станет лучше, если вы глубже поймете JVM, потому что так вы будете знать, как каждая строка кода влияет на процессы внутри JVM.
Однако для начала нужно понять, что такое байт-код. Итак, поговорим о вводе и выводе байт-кода Java и о том, как он влияет на JVM во время запуска программы.
Что такое байт-код Java?
Если в какой-то момент профессиональной жизни вы слышали, как проповедуют независимость Java-программ от платформ, скажите спасибо байт-коду.
Как генерируется байт-код?
Как посмотреть байт-код Java?
Если вам хочется увидеть сам байт-код, простейший способ — воспользоваться командной строкой.
Как работает JVM
Прежде чем углубляться в байт-код, стоит понять, как JVM его обрабатывает.
Методы — одна из важнейших составляющих кода для JVM. Среда выполнения Java-программы — это, по сути, набор методов, вызываемых JVM. JVM создает фрейм для каждого такого метода и помещает созданный фрейм наверх стека текущего потока для выполнения.
Фрейм состоит из локальной среды, которая необходима для поддержания его выполнения. Как правило он содержит массив локальных переменных и стек операндов. Посмотрим, что эти элементы из себя представляют.
Массив локальных переменных
Массив локальных переменных, как следует из названия, нужен для хранения локальных переменных в методе. Также он хранит аргументы, которые принимает метод.
Определим два метода: один статический и один метод экземпляра, но схожие во всем остальном.
Локальные массивы переменных для этих методов будут выглядеть следующим образом:
Стек операндов
Стек операндов — это рабочее пространство внутри фрейма метода. Поскольку это стек, вы можете помещать и забирать значения только из верхней его части. Большинство инструкций байт-кода, принадлежащих определенному методу, либо участвуют в помещении значений в стек, либо забирают значения из стека для обработки.
Инструкция байт-кода load и ее расширения нужны для перемещения значения, хранящегося в массиве переменных, в стек. Инструкция store применяется для извлечения значений из стека и сохранения в массиве переменных. Существуют и другие инструкции, которые извлекают значения из стека для обработки.
Посмотрим в байт-код
Ради возможности вглядеться в байт-код, я написал простой Java-класс:
Деконструкция байт-кода
Здесь важно отметить еще одно: индексы, заданные инструкциям байт-кода — как видим, они не увеличиваются на единицу для каждой новой инструкции.
Число перед инструкцией указывает на индекс ее начального байта. А любой байт-код состоит из однобайтовых опкодов, за которыми следует ноль или более операндов.
Вывод
Надеюсь, вам удалось узнать кое-что новое о том, как работает байт-код Java. С этим более четким знанием вы сможете лучше писать код. Можете даже поэкспериментировать с самим байт-кодом во время выполнения программы, воспользовавшись такими библиотеками, как ASM.
Введение в байт-код Java
Каждому Java-разработчику известно, какую роль в экосистеме языка играет JVM. Однако большинство не разбирается в том, как работает JVM под капотом. Хотя для разработки на Java это не обязательно, код станет лучше, если вы глубже поймете JVM, потому что так вы будете знать, как каждая строка кода влияет на процессы внутри JVM.
Однако для начала нужно понять, что такое байт-код. Итак, поговорим о вводе и выводе байт-кода Java и о том, как он влияет на JVM во время запуска программы.
Что такое байт-код Java?
Если в какой-то момент профессиональной жизни вы слышали, как проповедуют независимость Java-программ от платформ, скажите спасибо байт-коду.
Байт-код — это набор команд, который JVM применяет для запуска программы. Поскольку байт-код, сгенерированный для программы, не зависит от платформы, где она запущена, вы можете без проблем запускать свою программу на любой машине, на которой есть JVM для интерпретации байт-кода.
Как генерируется байт-код?
Как посмотреть байт-код Java?
Если вам хочется увидеть сам байт-код, простейший способ — воспользоваться командной строкой.
Как работает JVM
Прежде чем углубляться в байт-код, стоит понять, как JVM его обрабатывает.
Методы — одна из важнейших составляющих кода для JVM. Среда выполнения Java-программы — это, по сути, набор методов, вызываемых JVM. JVM создает фрейм для каждого такого метода и помещает созданный фрейм наверх стека текущего потока для выполнения.
Фрейм состоит из локальной среды, которая необходима для поддержания его выполнения. Как правило он содержит массив локальных переменных и стек операндов. Посмотрим, что эти элементы из себя представляют.
Массив локальных переменных
Массив локальных переменных, как следует из названия, нужен для хранения локальных переменных в методе. Также он хранит аргументы, которые принимает метод.
Определим два метода: один статический и один метод экземпляра, но схожие во всем остальном.
Локальные массивы переменных для этих методов будут выглядеть следующим образом:
Стек операндов
Стек операндов — это рабочее пространство внутри фрейма метода. Поскольку это стек, вы можете помещать и забирать значения только из верхней его части. Большинство инструкций байт-кода, принадлежащих определенному методу, либо участвуют в помещении значений в стек, либо забирают значения из стека для обработки.
Инструкция байт-кода load и ее расширения нужны для перемещения значения, хранящегося в массиве переменных, в стек. Инструкция store применяется для извлечения значений из стека и сохранения в массиве переменных. Существуют и другие инструкции, которые извлекают значения из стека для обработки.
Посмотрим в байт-код
Ради возможности вглядеться в байт-код, я написал простой Java-класс:
Деконструкция байт-кода
Здесь важно отметить еще одно: индексы, заданные инструкциям байт-кода — как видим, они не увеличиваются на единицу для каждой новой инструкции.
Число перед инструкцией указывает на индекс ее начального байта. А любой байт-код состоит из однобайтовых опкодов, за которыми следует ноль или более операндов.
Вывод
Надеюсь, вам удалось узнать кое-что новое о том, как работает байт-код Java. С этим более четким знанием вы сможете лучше писать код. Можете даже поэкспериментировать с самим байт-кодом во время выполнения программы, воспользовавшись такими библиотеками, как ASM.
Введение в байт-код Java
Каждому Java-разработчику известно, какую роль в экосистеме языка играет JVM. Однако большинство не разбирается в том, как работает JVM под капотом. Хотя для разработки на Java это не обязательно, код станет лучше, если вы глубже поймете JVM, потому что так вы будете знать, как каждая строка кода влияет на процессы внутри JVM.
Однако для начала нужно понять, что такое байт-код. Итак, поговорим о вводе и выводе байт-кода Java и о том, как он влияет на JVM во время запуска программы.
Что такое байт-код Java?
Если в какой-то момент профессиональной жизни вы слышали, как проповедуют независимость Java-программ от платформ, скажите спасибо байт-коду.
Байт-код — это набор команд, который JVM применяет для запуска программы. Поскольку байт-код, сгенерированный для программы, не зависит от платформы, где она запущена, вы можете без проблем запускать свою программу на любой машине, на которой есть JVM для интерпретации байт-кода.
Как генерируется байт-код?
Как посмотреть байт-код Java?
Если вам хочется увидеть сам байт-код, простейший способ — воспользоваться командной строкой.
Как работает JVM
Прежде чем углубляться в байт-код, стоит понять, как JVM его обрабатывает.
Методы — одна из важнейших составляющих кода для JVM. Среда выполнения Java-программы — это, по сути, набор методов, вызываемых JVM. JVM создает фрейм для каждого такого метода и помещает созданный фрейм наверх стека текущего потока для выполнения.
Фрейм состоит из локальной среды, которая необходима для поддержания его выполнения. Как правило он содержит массив локальных переменных и стек операндов. Посмотрим, что эти элементы из себя представляют.
Массив локальных переменных
Массив локальных переменных, как следует из названия, нужен для хранения локальных переменных в методе. Также он хранит аргументы, которые принимает метод.
Определим два метода: один статический и один метод экземпляра, но схожие во всем остальном.
Локальные массивы переменных для этих методов будут выглядеть следующим образом:
Стек операндов
Стек операндов — это рабочее пространство внутри фрейма метода. Поскольку это стек, вы можете помещать и забирать значения только из верхней его части. Большинство инструкций байт-кода, принадлежащих определенному методу, либо участвуют в помещении значений в стек, либо забирают значения из стека для обработки.
Инструкция байт-кода load и ее расширения нужны для перемещения значения, хранящегося в массиве переменных, в стек. Инструкция store применяется для извлечения значений из стека и сохранения в массиве переменных. Существуют и другие инструкции, которые извлекают значения из стека для обработки.
Посмотрим в байт-код
Ради возможности вглядеться в байт-код, я написал простой Java-класс:
Деконструкция байт-кода
Здесь важно отметить еще одно: индексы, заданные инструкциям байт-кода — как видим, они не увеличиваются на единицу для каждой новой инструкции.
Число перед инструкцией указывает на индекс ее начального байта. А любой байт-код состоит из однобайтовых опкодов, за которыми следует ноль или более операндов.
Вывод
Надеюсь, вам удалось узнать кое-что новое о том, как работает байт-код Java. С этим более четким знанием вы сможете лучше писать код. Можете даже поэкспериментировать с самим байт-кодом во время выполнения программы, воспользовавшись такими библиотеками, как ASM.
Основы Java Bytecode
Что будет и кому может быть интересно
Внимание, статья содержит довольно много картинок и получилась довольно тяжелой и объемной
В данной статье будут рассмотрены только основы Java Bytecode. Если вы уже знакомы с его основами, статья вряд ли будет вам интересна, так как практически все можно найти в документации.
В данной статье не рассмотрены многие темы (например, фреймы, многие атрибуты), иначе она бы получилась еще больше
Зачем знать что-то о Bytecode
Тема bytecode довольно скучная и в реальной работе среднестатистического программиста практически не используется.
Так почему стоит знать про основы bytecode:
Потому что с этим работает Java Machine и хочется понимать, что лежит в основе
Потому что многие современные фреймворки что-то тихо делают на уровне bytecode и часто могут что-то там сломать (привет, Lombok)
Потому что просто стало скучно 🙂
Для того чтобы просмотреть содержимое, можно воспользоваться стандартной утилитой
javap может принимать много параметров. Давайте рассмотрим основные из них.
Смотреть будем на стандартном классе java.lang.Object
Без параметров
Выводится только основная информация по классам, методам и полям (приватные поля и методы не показываются)
Показываются также приватные поля и методы
Показываются подробную информацию (verbose), такую, как размер стека и аргументов, версии и т.д.
В IDEA имеет встроенные средства для просмотра:
Просмотр для Java 
Просмотр для Kotlin
Версии class файлов
Чтобы понять, какие версии class файлов какая jvm поддерживает, можно воспользоваться таблицей из документации:
Поддерживаемые major версии
Для версии Java, начиная с 5, работает формула Major-44=Версия Java
access_flags
Flag Name (Имя флага)
public, виден за пределами пакета
final ; не может быть наследован
Обработка методов супер-класса когда вызывается инструкция invokespecial. (ссылка на более подробное объяснение)
Интерфейс, не класс
Абстрактный, не может быть наследован
Синтетический, не из кода
Модуль, не класс или интерфейс
Внутрь Bytecode
Рассмотрим первый простой файл:
Версия 55.0, что соответствует версии Java 11 (55-44=11)
Рассмотрим теперь файл с каким-нибудь полем :
Часть bytecode, касающаяся поля:
Для полей приведены флаги доступа, имя, описание (сигнатура поля) и атрибуты (здесь, ConstantValue)
Сигнатуры (descriptor) для полей имеют следующий формат:
Описание структуры метода
Рассмотрим простой класс:
Документацию можно посмотреть тут.
Выполнение метода
Основы
Продолжим работать с предыдущим примером.
Инструкции JVM занимают 1 байт, затем следуют параметры инструкции (если они есть).
iconst_1. Кладет на стек 1.
istore_1. Снимает значение с вершины стека и записывает в локальную переменную под индексом 1
iload_1. Записывает на вершину стека значение из переменной под индексом 1.
iconst_2. Записывает на вершину стека значение 2.
iadd. Снимает с вершины стека два целых числа, суммирует их и кладет полученный результат на вершину стека
istore_2. Снимает значение с вершины стека и записывает в локальную переменную под индексом 2
getstatic #2. Находит ссылку на статическое поле указанное в пуле под индексом #2 и кладет ее на вершину стека
iload_2. Записывает на вершину стека значение из переменной под индексом 2.
invokevirtual #3. Находит метод в пуле под #3, снимает требуемое количество значений из вершины стека для использования как параметры, снимает ссылку на объект и выполняет метод. Если метод что-то возвращает, кладет обратно на вершину стека.
Как это выглядит в динамике (анимация):
Реализация if
Рассмотрим такой код:
Реализация циклов
Циклы стандартно реализуются аналогично if.
Рассмотрим исходный код и его байткод:
Реализация switch
Реализация throw
При выполнении он выведет:
Здесь добавилась Exception table, в которой строки отсортированы таким образом, что виртуальная машина проверяет соответствие строки и вида исключения сверху вниз с последней точки, где она остановилась.
Когда мы дошли до 9 строчки, виртуальная машина выбросила исключение. И начала смотреть в Exception table. Первая запись удовлетворяет условиям использования (строчка 9 находится в интервале от 0 до 10 и указан RuntimeException) и поэтому выполняется переход на строчку 10.
Дальше мы доходим до строчки 31 и снова выполняется выброс исключения. Смотреть мы теперь начинаем с 2 строчки ExceptionTable. Она нам не подходит и поэтому переходим на 3, которая подходит, и выполняем переход на 32 строчку.
Вызовы методов (opcode: invokestatic, invokespecial, invokevirtual, invokeinterface, invokedynamic)
invokestatic
Используется для вызова статического метода. (Используется статическое связывание /Static Dispatch)
invokespecial
Используется для прямого вызова методов объекта текущего класса, конструкторов и методов родительского класса (Используется статическое связывание/Static Dispatch).
При этом первым параметром передается ссылка на объект.
Bytecode для конструктора класса Son
invokevirtual
Используется для вызова методов класса, при этом используется динамический поиск какой метод вызывать, основываясь на классе (Dynamic Dispatch). Так как методы могут быть переопределены, то сначала проверяется наличие метода в переданном классе, потом в родительском и так далее. Для поиска в HotSpot используется специальная таблица методов. Подробности можно посмотреть тут. При этом первым параметром передается ссылка на объект.
Немного изменим предыдущий пример
Bytecode для конструктора класса Son
Теперь в строчках 5 и 10 используется invokevirtual.
invokeinterface
Используется для вызова методов интерфейса (Dynamic Dispatch). При этом первым параметром передается ссылка на объект.
На 9 строчке вызывается метод интерфейса
invokedynamic
Вызов динамически-вычисляемых call sites. Сейчас, например, используется в Java для создания объектов для лямбд. Описание, как работает данный opcode, займет не одну статью и лучше всего посмотреть тут
Справочник основных opcode
Полная и единственно достоверная информация находится на сайте Oracle.
aconst_null (0x1)
Положить на стек null
Формат: dload index