ASM基本概念

线程和栈帧

要了解 ASM 字节码操作，先要熟悉 jvm 线程与栈帧结构，jvm 开辟一个线程，便会开辟属于这个线程虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器，其主要作用如下：

• 虚拟机栈: 以栈帧为基本单位，一个栈帧的开始地址代表一个方法的入口，栈帧里面有操作数栈，局部变量表，动态链接，方法出口，其他信息；其说明如下：
  • 操作数栈：: 用来存放需要 cpu 进行计算的基本类型和对象引用，以 4 个字节的 slot 为基本单位；
  • 局部变量表：存放当前栈帧涉及到的变量表，以 4 个字节的 slot 为基本单位;
  • 动态链接: 存放执行常量池的引用，可以实现当前方法的动态链接;
  • 方法出口：用于方法的返回，可以是异常的发生，return 操作指令等等；
• 本地方法栈：类似于虚拟机栈，但是保存的是 java 本地代码库的一些信息；
• 程序计数器：保存该线程指令执行位置，待下次调度时可以接着往下执行;
  具体如下图所示：
  
  线程虚拟机栈结构

基本类型

java 字节码中的类型表达和 java 代码是不一样的，在 java 字节码中利用如下符号来表达基本类型：

注： L+className; 代表某类的引用 (“;” 不能省略)

字节码实例:

字节码指令操作

字节码指令操作其实主要操作局部变量表和操作数栈，具体流程是：load 局部变量到操作数栈，然后给 cpu 下达执行指令，然后将操作数栈栈顶元素弹出，从而实现一个操作；
字节码指令都有一定的格式：[type+]op[“_”+value];

其中 type 根据基本类型可以为：i(int 整数),s(short 短整数),b(byte 字节),c(char 字符),l(long 长整数),d(double 双精度浮点数),f(float 浮点数),a(reference 引用)； value 指的是操作数，如果操作数为负数时需要添加’m” 前缀, 例如 iconstant_m1 表示将 - 1 压栈；如果操作数值超过一定大小，则会将该操作数存放在常量池，用 #indexbyte 表示其位置； op 指的是操作码，通常用一个字节表示；

字节码指令操作主要分为九大指令：

• 加载和存储指令：用于将数据在操作数栈和局部变量表来回传输；
• 运算指令：用于将操作数栈栈顶的两个数值进行运算，然后重新放入操作数栈顶;
• 类型转换指令：用于将两个不同数值类型进行相互转换；
• 对象创建和访问指令： 用于创建对象和访问对象
• 操作数栈管理指令：用于管理操作数栈，类似普通栈管理
• 控制转移指令：用于让 jvm 从指定位置的指令开始执行而不是控制下一条指令位置开始执行；
• 方法调用和返回指令：用于方法调用和方法返回；
• 异常处理指令：对 jvm 抛出的异常进行处理指令；
• 方法同步指令：用来控制不同线程对方法的同步控制；

加载和存储指令

加载指令主要是将局部变量和常量压入到操作数栈，具体指令有：

• 常量压栈指令，常量压栈指令时根据常量所占字节大小划分，指令如下：
  • constant: 该常量字节大小为 - 1 到 5 的数值，例如 iconstant_0 将整数 0 压栈，lconstant_5 将长整数 5 压栈；
  • bipush: 将字节值为 byte 类型的数值转换为整型，然后压栈 (byte 值大小为 - 128-127)；
  • sipush: 将字节值为 short 类型的数值转换为整型，然后压栈 (short 值为 - 32768-32767)；
  • ldc: 根据指定索引值 (需要一个字节存储的 indexbyte) 从常量池取出大小在 - 2147483648~2147483647 的常量值，如 int，float,Reference 型常量值；
  • ldc_w: 根据指定宽索引值 (需要两个字节存储的索引值) 从常量池取出如 int,float,Reference 等常量值进行压栈；
  • ldc2_w: 根据指定宽索引值从常量池中取出如 long,double 等常量值进行压栈；
    如下图：
    
    常量压栈. png
    如上图所示，其中 32767 表示操作数值，在[-32768,32767]之间是不会保存到常量池的，而超过这个值则需要利用 indexbyte(#30,#35) 代表的索引，去常量池中查找
• load: 将局部变量指定位置 (具体值或者索引) 处的对象压栈；aload_0 将局部变量表 0 处的引用类型入栈，
  iload indexbyte 将局部变量表中 indexbyte 表示的 int 类型入栈；caload 从 char 类型数组中装载指定项的值（先转换为 int 类型值，后压栈）
• store : 将操作数栈栈顶值弹出并保存到局部变量表中; 例如：istore_3 将 short,byte,char,int 类型保存到局部变量表 3 处根据类型转换，lstore [opNum] (opNum 需大于 3) 则将 long 类型保存到局部变量 opNum 处；dstore 用来保存栈顶的 double 类型，fstore 用来保存栈顶的 float 类型；

如下图所示：

加载存储指令. png

运算指令

运算指令有以下几种:

• (T)add: 将栈顶 T 类型的两个数值相加后入栈，T：float,int,short,long,double
• (T)sub: 将栈顶 T 类型的两个数值相减后入栈，T：float,int,short,long,double
• (T)mul: 将栈顶 T 类型的两个数值相乘后入栈，T：float,int,short,long,double
• (T)div: 将栈顶 T 类型的两个数值相除后入栈，T：float,int,short,long,double
• (T)rem: 将栈顶 T 类型的两个数值取模后入栈，T：float,int,short,long,double
• (T)neg: 将栈顶 T 类型的取负后入栈，T：float,int,short,long,double
• (T)iinc [indexbyte,constantbyte]: 将整数值 constbyte 加到 indexbyte 指定的 int 类型的局部变量中;
  
  运算指令. png
• (T)shl: 算数左移后入栈，T 为非浮点类型的基本类型；
• (T)shr: 算数左移后入栈，T 为非浮点类型的基本类型；
• (T)ushl: 逻辑左移后入栈，T 为非浮点类型的基本类型；
• (T)ushr: 逻辑右移后入栈, T 为非浮点类型的基本类型；
• (T)and: 与操作，T 为非浮点类型的基本类型；
• (T)or: 或操作，T 为非浮点类型的基本类型；
• (T)xor: 异或操作, T 为非浮点类型的基本类型；

类型转换指令

类型转换指令有以下几种：

• (T)2(V): 将 T 基本类型转换成 V 基本类型，如果是长字节类型转换短字节类型，则需要把高位字节截断；如 l2i: 将 long 转换成 int 则会把高 4 个字节截断后剩下的四个字节转换成 int；

对象创建和访问指令

对象创建和访问指令通常需要两个操作数 indexbyte1 和 indexbyte2

• new : 创建新的对象实例;
• checkcast: 强制类型转换;
• instanceof: 判断是否类实例;
• getField: 获取类实例字段值；
• putField: 给类实例字段赋值;
• getStatic: 获取类静态变量值;
• putStatic: 给类静态变量赋值;
• newarray: 创建基本类型数组；
• anewarray: 创建引用类型数组;
• arraylength: 获取一维数组长度;

操作数栈管理指令

字等于两个字节，半个 slot，16 位

• nop: 空操作；
• pop : 弹出栈顶一个字长数据;
• pop2: 弹出栈顶两个字长的数据;
• dup: 复制栈顶一个字长的数据，同时将该数据入栈；
• dup_x1：复制栈顶一个字长的数据，同时弹出栈顶两个字长的数据，然后再将复制的数据入栈，再将弹出的两个字入栈;
• dup_x2: 复制栈顶一个字长的数据，同时弹出栈顶三个字长的数据，然后再将复制的数据入栈，再将弹出的三个字入栈;
• dup2: 复制栈顶两个字长的数据，同时将该数据入栈；
• dup2_x1: 复制栈顶两个字长的数据，同时弹出栈顶三个字长的数据，然后再将复制的数据入栈，再将弹出的三个字入栈;
• dup2_x2: 复制栈顶两个字长的数据，同时弹出栈顶四个字长的数据，然后再将复制的数据入栈，再将弹出的四个字入栈;
• swap: 交换栈顶两个字长的数据，Java 指令中没有提供交换两个字长为单位的交换指令；

控制转移指令:

控制转移指令分为跳转指令和比较指令，无条件跳转指令, 表跳转指令，异常跳转指令；
跳转指令：

• ifeq: 若栈顶 int 类型为 0 则跳转；
• ifne: 若栈顶 int 类型不为 0 则跳转；
• iflt: 若栈顶 int 类型小于 0 则跳转；
• ifle: 若栈顶 int 类型小于等于 0 则跳转；
• ifgt: 若栈顶 int 类型大于 0 则跳转；
• ifge: 若栈顶 int 类型大于等于 0 则跳转；
• if_icmpeq: 若栈顶两 int 类型相等则跳转；
• if_icmpne: 若栈顶两 int 类型相等则跳转；
• if_icmplt: 若栈顶 int 前小于后则跳转;
• if_icpmle: 若栈顶 int 前小于等于后则跳转;
• if_icpmgt: 若栈顶 int 前大于后则跳转;
• if_icpmge: 若栈顶 int 前大于等于后则跳转;
• ifnull: 如栈顶引用为空则跳转;
• ifnonnull: 若栈顶引用不为空则跳转;
• if_acmpeq: 若栈顶两引用相等则跳转；
• if_acmpne: 若栈顶两引用不相等则跳转;

比较指令：

• (T)cmp: 比较栈顶两个 T 类型大小，前者大，则 1 入栈；相等则 0 入栈；后者大则 - 1 入栈；
• (T)cmpl: 比较栈顶两个 T 类型大小，前者大，则 1 入栈；相等则 0 入栈；后者大则 - 1 入栈；有 NAN 存在，则 - 1 入栈;
• (T)cmpg: 比较栈顶两个 T 类型大小，前者大，则 1 入栈；相等则 0 入栈；后者大则 - 1 入栈；有 NAN 存在，则 - 1 入栈;

无条件转移指令:

• goto : 无条件转移到指定位置;
• goto_w: 无条件转移到指定位置 (宽索引);

表跳转指令:

• tableswitch: 通过索引访问跳转表，并跳转;
• lookupswitch： 通过健值访问跳转表，并跳转;

异常跳转指令:

• athrow: 抛出异常;
• jsr: 跳转到指定程序;
• jsr_w: 跳转到指定程序 (宽索引);
• ret: 返回到指定程序;

方法调用和返回指令:

• invokerspecial: 指令用于调用一些需要特殊处理的实例方法，包括实例初始化方法、私有方法和父类方法，编译时绑定；
• invokevirtual: 指令用于调用对象的实例方法，根据对象的实际类型进行分派，运行时绑定；
• invokestatic: 调用静态方法;
• invokeinterface: 用以调用接口方法，在运行时搜索一个实现了这个接口方法的对象，找出适合的方法进行调用；
• invokedynamic: 用于处理新的方法分派：它允许应用级别的代码来确定执行哪一个方法调用，只有在调用要执行的时候，才会进行这种判断, 从而达到动态语言的支持，lambda 方法实现就是依赖于该指令；
• (T)return: 方法退出指令，T 表示返回类型;
  关于 invokespecial 和 invokevirtual 如下图:
  
  invokespecial 和 invokevirtual.png

同步方法指令:

• monitorenter: 进入并获得对象监视器；
• monitorexit: 退出并释放对象监视器;