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# 【工具篇】 常用工具介绍
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在前面的文章中，我曾使用了不少工具来辅助讲解，也收到了不少同学留言，说不了解这些工具，不知道都有什么用，应该怎么用。那么今天我便统一做一次具体的介绍。本篇代码较多，你可以点击文稿查看。
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## javap：查阅Java字节码
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javap是一个能够将class文件反汇编成人类可读格式的工具。在本专栏中，我们经常借助这个工具来查阅Java字节码。
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举个例子，在讲解异常处理那一篇中，我曾经展示过这么一段代码。
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```
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public class Foo {
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private int tryBlock;
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private int catchBlock;
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private int finallyBlock;
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private int methodExit;
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public void test() {
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try {
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tryBlock = 0;
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} catch (Exception e) {
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catchBlock = 1;
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} finally {
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finallyBlock = 2;
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}
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methodExit = 3;
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}
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}
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```
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编译过后，我们便可以使用javap来查阅Foo.test方法的字节码。
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```
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$ javac Foo.java
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$ javap -p -v Foo
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Classfile ../Foo.class
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Last modified ..; size 541 bytes
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MD5 checksum 3828cdfbba56fea1da6c8d94fd13b20d
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Compiled from "Foo.java"
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public class Foo
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minor version: 0
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major version: 54
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flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
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this_class: #7 // Foo
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super_class: #8 // java/lang/Object
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interfaces: 0, fields: 4, methods: 2, attributes: 1
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Constant pool:
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#1 = Methodref #8.#23 // java/lang/Object."<init>":()V
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#2 = Fieldref #7.#24 // Foo.tryBlock:I
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#3 = Fieldref #7.#25 // Foo.finallyBlock:I
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#4 = Class #26 // java/lang/Exception
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#5 = Fieldref #7.#27 // Foo.catchBlock:I
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#6 = Fieldref #7.#28 // Foo.methodExit:I
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#7 = Class #29 // Foo
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#8 = Class #30 // java/lang/Object
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#9 = Utf8 tryBlock
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#10 = Utf8 I
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#11 = Utf8 catchBlock
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#12 = Utf8 finallyBlock
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#13 = Utf8 methodExit
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#14 = Utf8 <init>
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#15 = Utf8 ()V
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#16 = Utf8 Code
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#17 = Utf8 LineNumberTable
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#18 = Utf8 test
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#19 = Utf8 StackMapTable
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#20 = Class #31 // java/lang/Throwable
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#21 = Utf8 SourceFile
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#22 = Utf8 Foo.java
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#23 = NameAndType #14:#15 // "<init>":()V
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#24 = NameAndType #9:#10 // tryBlock:I
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#25 = NameAndType #12:#10 // finallyBlock:I
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#26 = Utf8 java/lang/Exception
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#27 = NameAndType #11:#10 // catchBlock:I
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#28 = NameAndType #13:#10 // methodExit:I
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#29 = Utf8 Foo
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#30 = Utf8 java/lang/Object
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#31 = Utf8 java/lang/Throwable
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{
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private int tryBlock;
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descriptor: I
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flags: (0x0002) ACC_PRIVATE
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private int catchBlock;
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descriptor: I
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flags: (0x0002) ACC_PRIVATE
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private int finallyBlock;
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descriptor: I
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flags: (0x0002) ACC_PRIVATE
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private int methodExit;
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descriptor: I
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flags: (0x0002) ACC_PRIVATE
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public Foo();
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descriptor: ()V
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flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
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Code:
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stack=1, locals=1, args_size=1
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0: aload_0
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1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
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4: return
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LineNumberTable:
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line 1: 0
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public void test();
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descriptor: ()V
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flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
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Code:
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stack=2, locals=3, args_size=1
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0: aload_0
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1: iconst_0
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2: putfield #2 // Field tryBlock:I
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5: aload_0
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6: iconst_2
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7: putfield #3 // Field finallyBlock:I
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10: goto 35
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13: astore_1
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14: aload_0
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15: iconst_1
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16: putfield #5 // Field catchBlock:I
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19: aload_0
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20: iconst_2
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21: putfield #3 // Field finallyBlock:I
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24: goto 35
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27: astore_2
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28: aload_0
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29: iconst_2
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30: putfield #3 // Field finallyBlock:I
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33: aload_2
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34: athrow
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35: aload_0
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36: iconst_3
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37: putfield #6 // Field methodExit:I
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40: return
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Exception table:
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from to target type
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0 5 13 Class java/lang/Exception
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0 5 27 any
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|
13 19 27 any
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|
LineNumberTable:
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line 9: 0
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line 13: 5
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line 14: 10
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line 10: 13
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line 11: 14
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line 13: 19
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|
line 14: 24
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|
line 13: 27
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|
line 14: 33
|
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line 15: 35
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line 16: 40
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|
StackMapTable: number_of_entries = 3
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frame_type = 77 /* same_locals_1_stack_item */
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stack = [ class java/lang/Exception ]
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frame_type = 77 /* same_locals_1_stack_item */
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stack = [ class java/lang/Throwable ]
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frame_type = 7 /* same */
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}
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SourceFile: "Foo.java"
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```
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这里面我用到了两个选项。第一个选项是-p。默认情况下javap会打印所有非私有的字段和方法，当加了-p选项后，它还将打印私有的字段和方法。第二个选项是-v。它尽可能地打印所有信息。如果你只需要查阅方法对应的字节码，那么可以用-c选项来替换-v。
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javap的-v选项的输出分为几大块。
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1.基本信息，涵盖了原class文件的相关信息。
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class文件的版本号（minor version: 0，major version: 54），该类的访问权限（flags: (0x0021) ACC\_PUBLIC, ACC\_SUPER），该类（this\_class: #7）以及父类（super\_class: #8）的名字，所实现接口（interfaces: 0）、字段（fields: 4）、方法（methods: 2）以及属性（attributes: 1）的数目。
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这里属性指的是class文件所携带的辅助信息，比如该class文件的源文件的名称。这类信息通常被用于Java虚拟机的验证和运行，以及Java程序的调试，一般无须深入了解。
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```
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|
Classfile ../Foo.class
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Last modified ..; size 541 bytes
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MD5 checksum 3828cdfbba56fea1da6c8d94fd13b20d
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|
Compiled from "Foo.java"
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public class Foo
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minor version: 0
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major version: 54
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flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
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this_class: #7 // Foo
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super_class: #8 // java/lang/Object
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interfaces: 0, fields: 4, methods: 2, attributes: 1
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```
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|
class文件的版本号指的是编译生成该class文件时所用的JRE版本。由较新的JRE版本中的javac编译而成的class文件，不能在旧版本的JRE上跑，否则，会出现如下异常信息。（Java 8对应的版本号为52，Java 10对应的版本号为54。）
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```
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Exception in thread "main" java.lang.UnsupportedClassVersionError: Foo has been compiled by a more recent version of the Java Runtime (class file version 54.0), this version of the Java Runtime only recognizes class file versions up to 52.0
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```
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类的访问权限通常为ACC\_开头的常量。具体每个常量的意义可以查阅Java虚拟机规范4.1小节\[1\]。
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2.常量池，用来存放各种常量以及符号引用。
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常量池中的每一项都有一个对应的索引（如#1），并且可能引用其他的常量池项（#1 = Methodref #8.#23）。
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```
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Constant pool:
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#1 = Methodref #8.#23 // java/lang/Object."<init>":()V
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...
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#8 = Class #30 // java/lang/Object
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...
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#14 = Utf8 <init>
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#15 = Utf8 ()V
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...
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#23 = NameAndType #14:#15 // "<init>":()V
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...
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#30 = Utf8 java/lang/Object
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```
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举例来说，上图中的1号常量池项是一个指向Object类构造器的符号引用。它是由另外两个常量池项所构成。如果将它看成一个树结构的话，那么它的叶节点会是字符串常量，如下图所示。
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3.字段区域，用来列举该类中的各个字段。
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这里最主要的信息便是该字段的类型（descriptor: I）以及访问权限（flags: (0x0002) ACC\_PRIVATE）。对于声明为final的静态字段而言，如果它是基本类型或者字符串类型，那么字段区域还将包括它的常量值。
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```
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private int tryBlock;
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descriptor: I
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flags: (0x0002) ACC_PRIVATE
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```
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另外，Java虚拟机同样使用了“描述符”（descriptor）来描述字段的类型。具体的对照如下表所示。其中比较特殊的，我已经高亮显示。
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4.方法区域，用来列举该类中的各个方法。
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除了方法描述符以及访问权限之外，每个方法还包括最为重要的代码区域（Code:)。
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```
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public void test();
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descriptor: ()V
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flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
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Code:
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stack=2, locals=3, args_size=1
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0: aload_0
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...
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10: goto 35
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...
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34: athrow
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35: aload_0
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...
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40: return
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Exception table:
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from to target type
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0 5 13 Class java/lang/Exception
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0 5 27 any
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|
13 19 27 any
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LineNumberTable:
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line 9: 0
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|
...
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line 16: 40
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StackMapTable: number_of_entries = 3
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frame_type = 77 /* same_locals_1_stack_item */
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stack = [ class java/lang/Exception ]
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...
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```
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代码区域一开始会声明该方法中的操作数栈（stack=2）和局部变量数目（locals=3）的最大值，以及该方法接收参数的个数（args\_size=1）。注意这里局部变量指的是字节码中的局部变量，而非Java程序中的局部变量。
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接下来则是该方法的字节码。每条字节码均标注了对应的偏移量（bytecode index，BCI），这是用来定位字节码的。比如说偏移量为10的跳转字节码10: goto 35，将跳转至偏移量为35的字节码35: aload\_0。
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紧跟着的异常表（Exception table:）也会使用偏移量来定位每个异常处理器所监控的范围（由from到to的代码区域），以及异常处理器的起始位置（target）。除此之外，它还会声明所捕获的异常类型（type）。其中，any指代任意异常类型。
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再接下来的行数表（LineNumberTable:）则是Java源程序到字节码偏移量的映射。如果你在编译时使用了-g参数（javac -g Foo.java），那么这里还将出现局部变量表（LocalVariableTable:），展示Java程序中每个局部变量的名字、类型以及作用域。
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行数表和局部变量表均属于调试信息。Java虚拟机并不要求class文件必备这些信息。
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```
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LocalVariableTable:
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Start Length Slot Name Signature
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14 5 1 e Ljava/lang/Exception;
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0 41 0 this LFoo;
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```
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最后则是字节码操作数栈的映射表（StackMapTable: number\_of\_entries = 3）。该表描述的是字节码跳转后操作数栈的分布情况，一般被Java虚拟机用于验证所加载的类，以及即时编译相关的一些操作，正常情况下，你无须深入了解。
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## 2.OpenJDK项目Code Tools：实用小工具集
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OpenJDK的Code Tools项目\[2\]包含了好几个实用的小工具。
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在第一篇的实践环节中，我们使用了其中的字节码汇编器反汇编器ASMTools\[3\]，当前6.0版本的下载地址位于\[4\]。ASMTools的反汇编以及汇编操作所对应的命令分别为：
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```
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$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Foo.class > Foo.jasm
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```
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和
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```
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$ java -cp /path/to/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jasm.Main Foo.jasm
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```
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该反汇编器的输出格式和javap的不尽相同。一般我只使用它来进行一些简单的字节码修改，以此生成无法直接由Java编译器生成的类，它在HotSpot虚拟机自身的测试中比较常见。
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在第一篇的实践环节中，我们需要将整数2赋值到一个声明为boolean类型的局部变量中。我采取的做法是将编译生成的class文件反汇编至一个文本文件中，然后找到boolean flag = true对应的字节码序列，也就是下面的两个。
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```
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iconst_1;
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istore_1;
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```
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将这里的iconst\_1改为iconst\_2\[5\]，保存后再汇编至class文件即可完成第一篇实践环节的需求。
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除此之外，你还可以利用这一套工具来验证我之前文章中的一些结论。比如我说过class文件允许出现参数类型相同、而返回类型不同的方法，并且，在作为库文件时Java编译器将使用先定义的那一个，来决定具体的返回类型。
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具体的验证方法便是在反汇编之后，利用文本编辑工具复制某一方法，并且更改该方法的描述符，保存后再汇编至class文件。
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Code Tools项目还包含另一个实用的小工具JOL\[6\]，当前0.9版本的下载地址位于\[7\]。JOL可用于查阅Java虚拟机中对象的内存分布，具体可通过如下两条指令来实现。
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```
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$ java -jar /path/to/jol-cli-0.9-full.jar internals java.util.HashMap
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$ java -jar /path/to/jol-cli-0.9-full.jar estimates java.util.HashMap
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```
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## 3.ASM：Java字节码框架
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ASM\[8\]是一个字节码分析及修改框架。它被广泛应用于许多项目之中，例如Groovy、Kotlin的编译器，代码覆盖测试工具Cobertura、JaCoCo，以及各式各样通过字节码注入实现的程序行为监控工具。甚至是Java 8中Lambda表达式的适配器类，也是借助ASM来动态生成的。
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ASM既可以生成新的class文件，也可以修改已有的class文件。前者相对比较简单一些。ASM甚至还提供了一个辅助类ASMifier，它将接收一个class文件并且输出一段生成该class文件原始字节数组的代码。如果你想快速上手ASM的话，那么你可以借助ASMifier生成的代码来探索各个API的用法。
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下面我将借助ASMifier，来生成第一篇实践环节所用到的类。（你可以通过该地址\[9\]下载6.0-beta版。）
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```
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$ echo '
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public class Foo {
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public static void main(String[] args) {
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boolean flag = true;
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if (flag) System.out.println("Hello, Java!");
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if (flag == true) System.out.println("Hello, JVM!");
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}
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}' > Foo.java
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# 这里的javac我使用的是Java 8版本的。ASM 6.0可能暂不支持新版本的javac编译出来的class文件
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$ javac Foo.java
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$ java -cp /PATH/TO/asm-all-6.0_BETA.jar org.objectweb.asm.util.ASMifier Foo.class | tee FooDump.java
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...
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public class FooDump implements Opcodes {
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public static byte[] dump () throws Exception {
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ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
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FieldVisitor fv;
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MethodVisitor mv;
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AnnotationVisitor av0;
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cw.visit(V1_8, ACC_PUBLIC + ACC_SUPER, "Foo", null, "java/lang/Object", null);
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...
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{
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mv = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_STATIC, "main", "([Ljava/lang/String;)V", null, null);
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mv.visitCode();
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mv.visitInsn(ICONST_1);
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mv.visitVarInsn(ISTORE, 1);
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mv.visitVarInsn(ILOAD, 1);
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...
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mv.visitInsn(RETURN);
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mv.visitMaxs(2, 2);
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mv.visitEnd();
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}
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|
...
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|
```
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可以看到，ASMifier生成的代码中包含一个名为FooDump的类，其中定义了一个名为dump的方法。该方法将返回一个byte数组，其值为生成类的原始字节。
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在dump方法中，我们新建了功能类ClassWriter的一个实例，并通过它来访问不同的成员，例如方法、字段等等。
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每当访问一种成员，我们便会得到另一个访问者。在上面这段代码中，当我们访问方法时（即visitMethod），便会得到一个MethodVisitor。在接下来的代码中，我们会用这个MethodVisitor来访问（这里等同于生成）具体的指令。
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这便是ASM所使用的访问者模式。当然，这段代码仅包含ClassWriter这一个访问者，因此看不出具体有什么好处。
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我们暂且不管这个访问者模式，先来看看如何实现第一篇课后实践的要求。首先，main方法中的boolean flag = true;语句对应的代码是：
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```
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mv.visitInsn(ICONST_1);
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mv.visitVarInsn(ISTORE, 1);
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```
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也就是说，我们只需将这里的ICONST\_1更改为ICONST\_2，便可以满足要求。下面我用另一个类Wrapper，来调用修改过后的FooDump.dump方法。
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```
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$ echo 'import java.nio.file.*;
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public class Wrapper {
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public static void main(String[] args) throws Exception {
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Files.write(Paths.get("Foo.class"), FooDump.dump());
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}
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}' > Wrapper.java
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$ javac -cp /PATH/TO/asm-all-6.0_BETA.jar FooDump.java Wrapper.java
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$ java -cp /PATH/TO/asm-all-6.0_BETA.jar:. Wrapper
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$ java Foo
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```
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这里的输出结果应和通过ASMTools修改的结果一致。
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通过ASM来修改已有class文件则相对复杂一些。不过我们可以从下面这段简单的代码来开始学起：
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```
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public static void main(String[] args) throws Exception {
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ClassReader cr = new ClassReader("Foo");
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ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
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cr.accept(cw, ClassReader.SKIP_FRAMES);
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Files.write(Paths.get("Foo.class"), cw.toByteArray());
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}
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```
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这段代码的功能便是读取一个class文件，将之转换为ASM的数据结构，然后再转换为原始字节数组。其中，我使用了两个功能类。除了已经介绍过的ClassWriter外，还有一个ClassReader。
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ClassReader将读取“Foo”类的原始字节，并且翻译成对应的访问请求。也就是说，在上面ASMifier生成的代码中的各个访问操作，现在都交给ClassReader.accept这一方法来发出了。
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那么，如何修改这个class文件的字节码呢？原理很简单，就是将ClassReader的访问请求发给另外一个访问者，再由这个访问者委派给ClassWriter。
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这样一来，新增操作可以通过在某一需要转发的请求后面附带新的请求来实现；删除操作可以通过不转发请求来实现；修改操作可以通过忽略原请求，新建并发出另外的请求来实现。
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```
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import java.nio.file.*;
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import org.objectweb.asm.*;
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public class ASMHelper implements Opcodes {
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static class MyMethodVisitor extends MethodVisitor {
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private MethodVisitor mv;
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public MyMethodVisitor(int api, MethodVisitor mv) {
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super(api, null);
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this.mv = mv;
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}
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@Override
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public void visitCode() {
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mv.visitCode();
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mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
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mv.visitLdcInsn("Hello, World!");
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mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
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mv.visitInsn(RETURN);
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mv.visitMaxs(2, 1);
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mv.visitEnd();
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}
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}
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static class MyClassVisitor extends ClassVisitor {
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public MyClassVisitor(int api, ClassVisitor cv) {
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super(api, cv);
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}
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@Override
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public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature,
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String[] exceptions) {
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MethodVisitor visitor = super.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
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if ("main".equals(name)) {
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return new MyMethodVisitor(ASM6, visitor);
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}
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return visitor;
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}
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}
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public static void main(String[] args) throws Exception {
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ClassReader cr = new ClassReader("Foo");
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ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
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|
ClassVisitor cv = new MyClassVisitor(ASM6, cw);
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|
cr.accept(cv, ClassReader.SKIP_FRAMES);
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Files.write(Paths.get("Foo.class"), cw.toByteArray());
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}
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}
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```
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这里我贴了一段代码，在ClassReader和ClassWriter中间插入了一个自定义的访问者MyClassVisitor。它将截获由ClassReader发出的对名字为“main”的方法的访问请求，并且替换为另一个自定义的MethodVisitor。
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这个MethodVisitor会忽略由ClassReader发出的任何请求，仅在遇到visitCode请求时，生成一句“System.out.println(“Hello World!”);”。
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由于篇幅的限制，我就不继续深入介绍下去了。如果你对ASM有浓厚的兴趣，可以参考这篇教程\[10\]。
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你对这些常用工具还有哪些问题呢？可以给我留言，我们一起讨论。感谢你的收听，我们下期再见。
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\[1\]
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[https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se10/html/jvms-4.html#jvms-4.1](https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se10/html/jvms-4.html#jvms-4.1)
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\[2\]
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|
[http://openjdk.java.net/projects/code-tools/](http://openjdk.java.net/projects/code-tools/)
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\[3\]
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|
|
[https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/asmtools](https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/asmtools)
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|
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\[4\]
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|
|
[https://adopt-openjdk.ci.cloudbees.com/view/OpenJDK/job/asmtools/lastSuccessfulBuild/artifact/asmtools-6.0.tar.gz](https://adopt-openjdk.ci.cloudbees.com/view/OpenJDK/job/asmtools/lastSuccessfulBuild/artifact/asmtools-6.0.tar.gz)
|
|
|
\[5\]
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|
|
[https://cs.au.dk/~mis/dOvs/jvmspec/ref--21.html](https://cs.au.dk/~mis/dOvs/jvmspec/ref--21.html)
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|
|
\[6\]
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|
|
[http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jol/](http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jol/)
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|
|
\[7\]
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|
|
[http://central.maven.org/maven2/org/openjdk/jol/jol-cli/0.9/jol-cli-0.9-full.jar](http://central.maven.org/maven2/org/openjdk/jol/jol-cli/0.9/jol-cli-0.9-full.jar)
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|
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\[8\]
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|
|
[https://asm.ow2.io/](https://asm.ow2.io/)
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|
\[9\]
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|
[https://repository.ow2.org/nexus/content/repositories/releases/org/ow2/asm/asm-all/6.0\_BETA/asm-all-6.0\_BETA.jar](https://repository.ow2.org/nexus/content/repositories/releases/org/ow2/asm/asm-all/6.0_BETA/asm-all-6.0_BETA.jar)
|
|
|
\[10\]
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|
|
[http://web.cs.ucla.edu/~msb/cs239-tutorial/](http://web.cs.ucla.edu/~msb/cs239-tutorial/)
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