为何Spring技术很强大？

本文已收录GitHub，更有互联网大厂面试真题，面试攻略，高效学习资料等

Java 程序员几乎都了解 Spring。它的 IoC（依赖反转）和 AOP（面向切面编程）功能很是强大、易用。而它背后的字节码生成技术（在运行时，根据须要修改和生成 Java 字节码的技术）就是就是一项重要的支撑技术。

Java 字节码可以在 JVM（Java 虚拟机）上解释执行，或即时编译执行。其实，除了Java，JVM 上的 Groovy、Kotlin、Closure、Scala 等不少语言，也都须要生成字节码。另外，playscript 也能够生成字节码，从而在 JVM 上高效地运行！

并且，字节码生成技术颇有用。你能够用它将高级语言编译成字节码，还能够向原来的代码中注入新代码，来实现对性能的监测等功能。

目前，我就有一个实际项目的需求。咱们的一个产品，须要一个规则引擎，解析自定义的DSL，进行规则的计算。这个规则引擎处理的数据量比较大，因此它的性能越高越好。所以，若是把 DSL 编译成字节码就最理想了。

既然字节码生成技术有很强的实用价值，那么本文就带你掌握它。

我会先带你了解 Java 的虚拟机和字节码的指令，而后借助 asm 这个工具，生成字节码，最后，再实现从 AST 编译成字节码。经过这样一个过程，你会加深对 Java 虚拟机的了解，掌握字节码生成技术，从而更加了解 Spring 的运行机制，甚至有能力编写这样的工具！

Java虚拟机和字节码

字节码是一种二进制格式的中间代码，它不是物理机器的目标代码，而是运行在 Java 虚拟机上，能够被解释执行和即时编译执行。

在讲后端技术时，我强调的都是，如何生成直接在计算机上运行的二进制代码，这比较符合C、C++、Go 等静态编译型语言。但若是想要解释执行，除了直接解释执行 AST 之外，我没有讲其余解释执行技术。

而目前更常见的解释执行的语言，是采用虚拟机，其中最典型的就是 JVM，它可以解释执行 Java 字节码。

而虚拟机的设计又有两种技术：一是基于栈的虚拟机；二是基于寄存器的虚拟机。

标准的 JVM 是基于栈的虚拟机（后面简称“栈机”）。

每个线程都有一个 JVM 栈，每次调用一个方法都会生成一个栈桢，来支持这个方法的运行。栈桢里面又包含了本地变量数组（包括方法的参数和本地变量）、操做数栈和这个方法所用到的常数。

栈机是基于操做数栈作计算的。以“2+3”的计算为例，只要把它转化成逆波兰表达式，“2 3 +”，而后按照顺序执行就能够了。也就是：先把 2 入栈，再把 3 入栈，再执行加法指令，这时，要从栈里弹出 2 个操做数作加法计算，再把结果压入栈。

你能够看出，栈机的加法指令，是不须要带操做数的，就是简单的“iadd”就行，这跟你以前学过的 IR 都不同。为何呢？由于操做数都在栈里，加法操做须要 2 个操做数，从栈里弹出 2 个元素就好了。

也就是说，指令的操做数是由栈肯定的，咱们不须要为每一个操做数显式地指定存储位置，因此指令能够比较短，这是栈机的一个优势。

接下来，咱们聊聊字节码的特色。

字节码是什么样子的呢？我编写了一个简单的类，其中的 foo() 方法实现了一个简单的加法计算，你能够看看它对应的字节码是怎样的：

publicclassMyClass{
    publicintfoo(inta){
        returna+3;
    }
}

在命令行终端敲入下面两行命令，生成文本格式的字节码文件：

javacMyClass.java
javap-vMyClass>MyClass.bc

打开 MyClass.bc 文件，你会看到下面的内容片断：

publicintfoo(int);
Code:
0:iload_1   //把下标为1的本地变量入栈
1:iconst_3  //把常数3入栈
2:iadd      //执行加法操做
3:ireturn   //返回

其中，foo() 方法一共有四条指令，前三条指令是计算一个加法表达式 a+3。这彻底是按照逆波兰表达式的顺序来执行的：先把一个本地变量入栈，再把常数 3 入栈，再执行加法运算。

若是你细心的话，应该会发现：把参数 a 入栈的第一条指令，用的下标是 1，而不是 0。这是由于，每一个方法的第一个参数（下标为 0）是当前对象实例的引用（this）。

我提供了字节码中，一些经常使用的指令，增长你对字节码特色的直观认识，完整的指令集能够参见JVM 的规格书：

其中，每一个指令都是 8 位的，占一个字节，并且 iload_0，iconst_0 这种指令，甚至把操做数（变量的下标、常数的值）压缩进了操做码里，能够看出，字节码的设计很注重节省空间。

根据这些指令所对应的操做码的数值，MyClass.bc 文件中，你所看到的那四行代码，变成二进制格式，就是下面的样子：

你能够用"hexdump MyClass.class"显示字节码文件的内容，从中能够发现这个片断（就是橙色框里的内容）：

如今，你已经初步了解了基于栈的虚拟机，与此对应的是基于寄存器的虚拟机。这类虚拟机的运行机制跟机器码的运行机制是差很少的，它的指令要显式地指出操做数的位置（寄存器或内存地址）。它的优点是：能够更充分地利用寄存器来保存中间值，从而能够进行更多的优化。

例如，当存在公共子表达式时，这个表达式的计算结果能够保存在某个寄存器中，另外一个用到该公共子表达式的指令，就能够直接访问这个寄存器，不用再计算了。在栈机里是作不到这样的优化的，因此基于寄存器的虚拟机，性能能够更高。而它的典型表明，是 Google公司为 Android 开发的 Dalvik 虚拟机和 Lua 语言的虚拟机。

这里你须要注意，栈机并非不用寄存器，实际上，操做数栈是能够基于寄存器实现的，寄存器放不下的再溢出到内存里。只不过栈机的每条指令，只能操做栈顶部的几个操做数，因此也就没有办法访问其它寄存器，实现更多的优化。

如今，你应该对虚拟机以及字节码有了必定的了解了。那么，如何借助工具生成字节码呢？你可能会问了：为何不纯手工生成字节码呢？固然能够，只不过借助工具会更快一些。

就像你生成 LLVM 的 IR 时，也曾得到了 LLVM 的 API 的帮助。因此，接下来我会带你认识 asm 这个工具，并借助它为咱们生成字节码。

字节码生成工具asm

其实，有不少工具会帮咱们生成字节码，好比 Apache BCEL、Javassist 等，选择 asm 是由于它的性能比较高，而且它还被 Spring 等著名软件所采用。

asm是一个开源的字节码生成工具。Grovvy 语言就是用它来生成字节码的，它还能解析Java 编译后生成的字节码，从而进行修改。

asm 解析字节码的过程，有点像 xml 的解析器解析 xml 的过程：先解析类，再解析类的成员，好比类的成员变量（Field）、类的方法（Mothod）。在方法里，又能够解析出一行行的指令。

你须要掌握两个核心的类的用法：

• Cla***eader，用来解析字节码。
• ClassWriter，用来生成字节码。

这两个类若是配合起来用，就能够一边读入，作必定修改后再写出，从而实现对原来代码的修改。

咱们先试验一下，用 ClassWriter 生成字节码，看看能不能生成一个跟前面示例代码中的MyClass 同样的类（咱们能够称呼这个类为 MyClass2），里面也有一个如出一辙的 foo函数。相关代码参考genMyClass2()方法，这里只拿出其中一段看一下：

//////建立foo方法
MethodVisitormv=cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC,"foo",
"(I)I",//括号中的是参数类型，括号后面的是返回值类型
null,null);
//添加参数a
mv.visitParameter("a",Opcodes.ACC_PUBLIC);
mv.visitVarInsn(Opcodes.ILOAD,1);
//iload_1
mv.visitInsn(Opcodes.ICONST_3);
//iconst_3
mv.visitInsn(Opcodes.IADD);
//iadd
mv.visitInsn(Opcodes.IRETURN);
//ireturn
//设置操做数栈最大的帧数，以及最大的本地变量数
mv.visitMaxs(2,2);
//结束方法
mv.visitEnd();
//////建立foo方法
MethodVisitormv=cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC,"foo",
"(I)I",//括号中的是参数类型，括号后面的是返回值类型
null,null);
//添加参数a
mv.visitParameter("a",Opcodes.ACC_PUBLIC);
mv.visitVarInsn(Opcodes.ILOAD,1);
//iload_1
mv.visitInsn(Opcodes.ICONST_3);
//iconst_3
mv.visitInsn(Opcodes.IADD);
//iadd
mv.visitInsn(Opcodes.IRETURN);
//ireturn
//设置操做数栈最大的帧数，以及最大的本地变量数
mv.visitMaxs(2,2);
//结束方法
mv.visitEnd();

从这个示例代码中，你会看到两个特色：

1. ClassWriter 有 visitClass、visitMethod 这样的方法，以及 ClassVisitor、MethodVistor 这样的类。这是由于 ClassWriter 用了 visitor 模式来编程。你每一次调用visitXXX 方法，就会建立相应的字节码对象，就像 LLVM 造成内存中的 IR 对象同样。
2. foo() 方法里的指令，跟咱们前面看到的字节码指令是同样的。

执行这个程序，就会生成 MyClass2.class 文件。

把 MyClass2.class 变成可读的文本格式以后，你能够看到它跟 MyClass 的字节码内容几乎是同样的，只有类名称不一样。固然了，你还能够写一个程序调用 MyClass2，验证一下它是否可以正常工做。

发现了吗？只要熟悉 Java 的字节码指令，在 asm 的帮助下，你能够很方便地生成字节码！

既然你已经能生成字节码了，那么不如趁热打铁，把编译器前端生成的 AST 编译成字节码，在 JVM 上运行？由于这样，你就能从前端到后端，完整地实现一门基于 JVM 的语言了！

将AST编译成字节码

基于 AST 生成 JVM 的字节码的逻辑仍是比较简单的，比生成针对物理机器的目标代码要简单得多，为何这么说呢？主要有如下几个缘由：

• 首先，你不用太关心指令选择的问题。针对 AST 中的每一个运算，基本上都有惟一的字节码指令对应，你直白地翻译就能够了，不须要用到树覆盖这样的算法。
• 你也不须要关心寄存器的分配，由于 JVM 是使用操做数栈的；
• 指令重排序也不用考虑，由于指令的顺序是肯定的，按照逆波兰表达式的顺序就能够了；
• 优化算法，你暂时也不用考虑。

按照这个思路，你能够在 playscript-java 中增长一个ByteCodeGen的类，针对少许的语言特性作一下字节码的生成。最后，咱们再增长一点代码，可以加载并执行所生成的字节码。运行下面的命令，能够把bytecode.play示例代码编译并运行。

javaplay.PlayScript-bcbytecode.play

固然了，咱们只实现了 playscript 的少许特性，不过，若是在这个基础上继续完善，你就能够逐步实现一门完整的，基于 JVM 的语言了。

Spring与字节码生成技术

我在开篇提到，Java 程序员大部分都会使用 Spring。Spring 的 IoC（依赖反转）和AOP（面向切面编程）特性几乎是 Java 程序员在面试时必被问到的问题，了解 Spring 和字节码生成技术的关系，能让你在面试时更轻松。

Spring 的 AOP 是基于代理（proxy）的机制实现的。在调用某个对象的方法以前，要先通过代理，在代理这儿，能够进行安全检查、记日志、支持事务等额外的功能。

Spring 采用的代理技术有两个：一个是 Java 的动态代理（dynamic proxy）技术；一个是采用 cglib 自动生成代理，cglib 采用了 asm 来生成字节码。

Java 的动态代理技术，只支持某个类所实现的接口中的方法。若是一个类不是某个接口的实现，那么 Spring 就必须用到 cglib，从而用到字节码生成技术来生成代理对象的字节码。

总结

本文主要带你了解了字节码生成技术。字节码生成技术是 Java 程序员很是熟悉的Spring 框架背后所依赖的核心技术之一。若是想要掌握这个技术，你须要对 Java 虚拟机的运行原理、字节码的格式，以及常见指令有所了解。我想强调的重点以下：

运行程序的虚拟机有两种设计：一个是基于栈的；一个是基于寄存器的。

基于栈的虚拟机不用显式地管理操做数的地址，所以指令会比较短，指令生成也比较容易。而基于寄存器的虚拟机，则能更好地利用寄存器资源，也能对代码进行更多的优化。

你要可以在大脑中图形化地想象出栈机运行的过程，从而对它的原理理解得更清晰。
asm 是一个字节码操纵框架，它能帮你修改和生成字节码，若是你有这方面的需求，能够采用这样的工具。

在这里，我也建议 Java 程序员，多多了解 JVM 的运行机制，和 Java 字节码，这样会更好地把握 Java 语言的底层机制，从而更利于本身职业生涯的发展。