深入理解JVM字节码

资深后端工程师、上市公司高级技术经理、掘金平台优秀作者撰写，多位行业专家联袂推荐
从原理和应用两个维度深入剖析字节码，揭示其在Java性能优化、软件破解、APM等各种应用场景中的“黑科技”

这是一本揭示JVM字节码“黑科技”的著作，它从原理和应用两个维度深入剖析了JVM字节码。书中内容涉及JVM字节码的大部分应用场景，如Java性能优化、软件防护与破解、APM等，通过大量实战案例讲解了它在这些场景中的实操技巧。

本书共 12 章，从逻辑上分为两大部分。

【第壹部分：原理篇（第1~8章）】
第1章详细剖析了class文件的内部结构；

第2章介绍了字节码的概念以及Java虚拟机栈和栈帧的相关内容；

第3章介绍了字节码的进阶知识，包括泛型擦除、synchronized关键字、反射的底层实现原理；

第4章介绍了javac编译器的原理，以及javac编译的七大阶段和各阶段的作用；

第5章从字节码的角度介绍Kotlin的常见语法糖、coroutine等原理；

第6章介绍了ASM和Javassist这两个字节码操作工具；

第7章介绍了Java Instrumentation的原理；

第8章介绍了JSR 269插件化注解处理原理。

【第二部分：应用篇（第9~12章）】
第9章介绍了字节码在cglib、Fastjson等框架上的应用；

第10章介绍了反编译、破解、防破解和逆向工程的相关内容；

第11章介绍了APM的概况、分布式跟踪的基本原理等；

第12章详细介绍了Android dex文件的组成结构，以及Android字节码指令与Java字节码指令的区别。

★张亚

资深后端工程师和Java工程师，CVTE（视源股份，股票代码：002841）高级技术经理，带领20多人的研发团队做教育相关的产品。

主要方向是 JVM 调优及故障诊断、TCP 源码剖析、高并发系统设计，致力于后端底层技术细节的研究。独立实现了公司级全链路APM 产品，在字节码、ASM、软件破解等方向有丰富的实战经验。

vim 狂热爱好者，热衷分享，是掘金平台的优秀作者，在掘金上撰写过两本关于JVM和TCP 底层原理的小册子。

★《大学》开篇就提到“格物致知”，意思是通过研究事物背后的原理来获得知识。本书正是秉承这样的思想，深入虚拟机、字节码等背后深层次的结构和原理来剖析Java。这种知其然并知其所以然的研究态度和方法，是我在很多技术高手身上看到的共有特质。当你深入掌握了这些原理之后，你的代码不管是在整体架构上，还是在开发和运行效率上，都会提升一个档次。

—— 刘荣（电脑圈圈） CVTE 技术专家

★这本书对JVM底层知识的讲解非常深入，作者在字节码领域积累多年的经验均融汇其中，内容深入且全面，可以帮助你拓宽在JVM方向上的视野，掌握更多字节码的“黑科技”。

—— 钱文品（老钱） 前掌阅服务端技术专家

★很高兴看到介绍字节码的专著问世，如果你从事Java开发，无论是做业务开发还是高性能中间件开发，Java字节码都是必须要掌握的技能。在Java领域，字节码的应用很普遍，动态生成、修改字节码已经在各大主流框架中落地。这本书从原理到实战，由浅入深地引导读者探究字节码的方方面面，非常值得一读。

—— 周志明 远光软件研究院院长/《深入理解Java虚拟机》作者

★刚认识张亚的时候，他就给我推荐了他的JVM“掘金小册”，章节不多、篇幅不长，但是却把JVM的底层原理，如字节码的执行过程、反射、热加载、javac编译、OpenTracing等都讲清楚了，循序渐进，精炼而又不失深度。这些内容经过扩充和迭代，形成了本书，强烈建议正在学习Java语言的读者将本书作为深入理解JVM原理的必读书籍。

—— 赵成 蘑菇街技术总监

【原理篇】

第1章　深入剖析 class 文件结构 1

1.1　初探 class 文件 1

1.2　class 文件结构剖析 3

1.2.1　魔数 4

1.2.2　版本号 6

1.2.3　常量池 7

1.2.4　Access flags 18

1.2.5　this_class、super_name、interfaces 19

1.2.6　字段表 20

1.2.7　方法表 23

1.2.8　属性表 25

1.3　使用 javap 查看类文件 30

1.4　小结 32

第2章　字节码基础 33

2.1字节码概述 33

2.2 Java 虚拟机栈和栈帧 34

2.3　字节码指令 41

2.3.1　加载和存储指令 41

2.3.2　操作数栈指令 42

2.3.3　运算和类型转换指令 45

2.3.4　控制转移指令 46

2.3.5　for语句的字节码原理 48

2.3.6　switch-case底层实现原理 54

2.3.7　String的switch-case实现的字节码原理 55

2.3.8　 i和i 的字节码原理 60

2.3.9　try-catch-finally的字节码原理 63

2.3.10　try-with-resources 的字节码原理 71

2.3.11　对象相关的字节码指令 74

2.4　小结 77

第3章　字节码进阶 78

3.1　方法调用指令 78

3.1.1　invokestatic指令 79

3.1.2　invokevirtual指令 79

3.1.3　invokespecial指令 80

3.1.4　invokeinterface指令 80

3.1.5　invokedynamic指令 90

3.2　Lambda 表达式的原理 95

3.3　泛型与字节码 100

3.4　synchronized 的实现原理 102

3.5　反射的实现原理 106

3.5.1　反射方法源码分析 107

3.5.2　反射的inflation机制 109

3.6　小结 110

第4章　javac 编译原理简介 111

4.1　javac 源码调试 112

4.2　javac 的七个阶段 114

4.2.1　parse阶段 115

4.2.2　enter阶段 116

4.2.3　process阶段 118

4.2.4　attr阶段 118

4.2.5　flow阶段 121

4.2.6　desugar阶段 122

4.2.7　generate阶段 126

4.3　小结 129

第5章　从字节码角度看 Kotlin语言 130

5.1　Metadata 注解 130

5.2　顶层方法 132

5.3　object 单例 133

5.4　扩展方法 134

5.5　接口默认方法 135

5.6　默认参数 137

5.7　高级 for 循环 140

5.8　data class 142

5.9　多返回值 143

5.10　协程的实现原理 144

5.10.1　CPS 介绍 145

5.10.2　suspend 关键字 146

5.11　从字节码分析 Kotlin 编译器的bug 149

5.12　小结 153

第6章　ASM 和 Javassist 字节码操作工具 154

6.1　ASM 介绍 154

6.1.1　ASM Core API核心类 156

6.1.2　ASM操作字节码示例 158

6.2　Javassist 介绍 169

6.2.1　Javassist核心API 169

6.2.2　Javassist操作字节码示例 170

6.3　小结 174

第7章　Java Instrumentation 原理 175

7.1　Java Instrumentation 简介 175

7.2　Instrumentation 与 -javaagent启动参数 176

7.3　JVM Attach API 介绍 180

7.3.1　JVM Attach API基本使用 181

7.3.2　JVM Attach API的底层原理 183

7.4　小结 190

第8章　JSR 269 插件化注解处理原理 191

8.1　JSR 269 简介 191

8.2　抽象语法树操作 API 193

8.2.1　Names介绍 193

8.2.2　JCTree介绍 193

8.2.3　TreeMaker介绍 198

8.2.4　自定义注解处理实战 202

8.3　JSR 269 在常用框架上的应用 207

8.3.1　案例一：ButterKnife 207

8.3.2　案例二：Lombok 209

8.4　小结 212

【应用篇】

第9章　字节码的应用 213

9.1　cglib 动态代理原理分析 213

9.2字节码在 Fastjson 上的应用 218

9.3　字节码在 Dubbo 上的应用 221

9.4　字节码在 JaCoCo 代码覆盖率上的应用 222

9.5　字节码在 Mock 上的应用 225

9.6　小结 227

第10章　软件破解和防破解 228

10.1　反编译 228

10.2　软件破解 229

10.3　软件防破解 234

10.4　小结 250

第11章　全链路分布式跟踪与APM 251

11.1　全链路分布式跟踪介绍 251

11.2　见微知著之 APM 260

11.3　小结 273

第12章　Android字节码与 APM 274

12.1　dex 文件结构 274

12.2　Android字节码 288

12.3　Gradle 插件编写 295

12.4　Android字节码注入原理 297

12.5　小结 301

【为什么要写这本书】

大约四五年前，秉承“代码未动、监控先行”的理念，我开始在公司的平台部门做服务质量监控平台。最开始是使用人工埋点的方式来进行监控信息的上报，业务方的接入成本非常高，上线前需要花半天到一天的时间来进行埋点，苦不堪言。

后来公司大力推行 DevOps、容器化、微服务，提高了开发和运维效率，但分布式部署架构带来的问题也迅速显现出来，如服务拓扑不清、服务依赖关系复杂、日志散落在各个微服务中，等等。在出现问题时，开发人员不知道如何排查，无法快速定位问题。后来我了解到 javaagent ASM 这样的技术能够自动注入埋点的代码，于是花了大概一个月的时间苦学字节码、ASM 相关的知识。ASM官方的英文手册读了不下 5 遍，深知其中的难点。另外，APM 这一套性能监控工具需要极高的可靠性和极低的性能损耗，倒逼着我对字节码的执行原理、高性能 Java等有了更深入的研究。

我花了大概 3 个月的时间从零到一实现了整套无侵入字节码注入 APM 系统，对整个后端微服务调用栈进行监控，实现了业务方零埋点、跨进程异构系统的调用链路追踪、性能问题代码级别定位、业务拓扑实时发现、SLA 实时统计等功能。该系统上线运行了几年，至今未出现问题。

我平时喜欢破解一些软件，一开始都是通过直接修改类文件的方式来进行的，比较烦琐。掌握了 javaagent、ASM、JVMTI 这些工具以后，对软件破解有了更深入的研究。

后来从平台部门去业务部门带领更大的团队，很早期的时候就引入了 Kotlin 来进行后端开发。为了避免基础较差的同事误解语法糖的意思，我对 Kotlin 中很多语法背后的实现做了详细的分析，让他们在使用的时候更加清楚语法糖的实现原理。

一路走来，觉得越底层的知识越有价值，所以想写一本这样的书，让更多的人能够对 JVM 字节码底层的细节多一些了解，在遇到问题时能自己分析、独立判断。

【读者对象】

希望你可以通过阅读本书知其然并知其所以然，理解炫酷语法和高级框架背后的实现原理，实现各种 JVM“黑科技”，真正搞懂反射、Lambda 表达式、AOP、热加载、软件破解等的实现细节。

【本书适合以下读者阅读】

对 Java 有初步了解，想深入学习其内部运行细节的读者；

通过学习字节码改写技术实现高性能框架的读者；

对 APM 感兴趣，想了解 APM 实现原理的读者，以及准备搭建 APM 系统用来做分布式系统调用链跟踪的读者；

想学习 Java 软件常见的破解和防破解方法，提高软件逆向和破解水平的读者。

【如何阅读这本书】

本书一共 12 章，从逻辑上主要分为字节码原理篇和应用篇两大部分。

第 1 章详细剖析了 class 文件的内部结构，帮助读者理解本书后面介绍的字节码原理。

第 2 章首先介绍了什么是字节码，接下来介绍了 Java 虚拟机栈和栈帧的相关内容，然后通过 for 循环、switch-case、try-catch-finally 等语法讲解了字节码指令的用法。

第 3 章介绍了字节码的进阶知识，主要目的是让读者掌握方法调用指令、泛型擦除、synchronized 关键字、反射的底层实现原理。

第 4 章介绍了javac 编译器的原理。编译原理是计算机科学皇冠上的明珠，只有弄懂了 javac 才能更好地理解字节码的生成原理。本章一开始介绍了 javac 源码的调试方法，随后详细介绍了 javac 编译的七大阶段和各阶段的作用。

第 5 章从字节码角度看 Kotlin 语言，介绍了常见语法糖和协程等的原理，希望读者在学习其他 JVM 系语言时可以举一反三，使用类似的思路。

第 6 章介绍了 ASM 和 Javassist 两个字节码操作工具。这两个工具非常重要，被广泛用于中间件框架中，后面关于APM、软件破解的章节都涉及这两个工具的使用。

第 7 章介绍了 Java Instrumentation 的原理，分两种方式讲解了如何使用 Instrumentation，最后介绍了 Attach API 的底层 UNIX 域套接字的通信原理。

第 8 章介绍了 JSR 269 插件化注解处理的原理，希望读者可以通过本章掌握编译期间生成、修改代码的方法，理解 Lombok、ButterKnife 工具的实现原理。

第 9 章主要介绍了字节码在 cglib、Fastjson、Dubbo、JaCoCo、Mock 这些框架上的应用，可以让读者接触到更多字节码的使用场景。

第 10 章主要介绍了反编译、破解、防破解和逆向工程的相关内容。了解常见的破解和逆向方法能更好地保护自己的软件产品。

第 11 章介绍了 APM 的概况、分布式跟踪的基本原理、OpenTracing 的基本概念和无埋点字节码插桩的代码实现。如果对 APM 有兴趣，可以将本章作为入门指导，实现自己的 APM 产品。

第 12 章详细介绍了Android dex 文件的组成结构，以及Android字节码指令与 Java 字节码指令的区别，最后介绍了 Gradle 字节码改写实现无侵入插桩的方法。