如何看懂Java字节码

1. 字节码基础概念

什么是字节码：Java 源代码（.java）编译后生成的中间代码（.class），由 JVM 执行。
文件结构：遵循 JVM 规范，包含魔数、版本号、常量池、类信息、方法表等。
指令集：基于栈的虚拟机指令，例如 iload（加载整型）、invokevirtual（调用方法）等。

2. 工具准备

查看字节码的常用工具

javap（JDK 自带）：
1
javap -c -v YourClass.class # 反编译并显示详细字节码
- -c：输出指令码。
- -v：显示附加信息（常量池、行号表等）。
IDE 插件：
- IntelliJ IDEA：安装 Bytecode Viewer 插件（右键类文件 → View → Show Bytecode）。
- Eclipse：使用 Bytecode Outline 插件。
图形化工具：
- JClassLib：可视化分析 .class 文件。
- JD-GUI：反编译为近似 Java 代码（但非原始字节码）。

3. 字节码文件结构

关键组成部分

魔数（Magic Number）：前 4 字节为 0xCAFEBABE，标识为 Java 类文件。
版本号：主版本（Major Version）和次版本（Minor Version），例如 Java 8 的主版本号为 52。
常量池（Constant Pool）：
- 存储类名、方法名、字符串字面量等符号引用。
- 通过索引（如 #1, #2）在指令中引用。
访问标志（Access Flags）：类的修饰符（public, final 等）。
类信息：父类、接口列表。
字段表（Fields）：类中定义的字段。
方法表（Methods）：每个方法的字节码、异常表、本地变量表等。
属性表（Attributes）：附加信息（如源码文件名、行号表）。

4. 理解字节码指令

常见指令示例

加载/存储：
- aload_0：加载 this 到操作数栈。
- iload_1：加载局部变量槽 1 的整型值。
算术运算：
- iadd：整型加法。
- fsub：浮点减法。
方法调用：
- invokevirtual：调用实例方法。
- invokestatic：调用静态方法。
控制流：
- ifeq：如果栈顶值为 0，跳转。
- goto：无条件跳转。
对象操作：
- new：创建对象。
- putfield：设置对象字段的值。

Java 字节码文件的分析和对应的 Java 代码还原：

// class version 61.0 (61)
// access flags 0x21
public class com/mozi/Main {

  // compiled from: Main.java

  // access flags 0x1
  public <init>()V
   L0
    LINENUMBER 14 L0
    ALOAD 0
    INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
    RETURN
   L1
    LOCALVARIABLE this Lcom/mozi/Main; L0 L1 0
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

  // access flags 0x9
  public static main([Ljava/lang/String;)V
   L0
    LINENUMBER 17 L0
    ICONST_2
    ANEWARRAY java/lang/String
    DUP
    ICONST_0
    LDC "add"
    AASTORE
    DUP
    ICONST_1
    LDC "add"
    AASTORE
    INVOKESTATIC java/util/Arrays.asList ([Ljava/lang/Object;)Ljava/util/List;
    ASTORE 1
   L1
    LINENUMBER 18 L1
    ALOAD 1
    INVOKEINTERFACE java/util/List.iterator ()Ljava/util/Iterator; (itf)
    ASTORE 2
   L2
   FRAME APPEND [java/util/List java/util/Iterator]
    ALOAD 2
    INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.hasNext ()Z (itf)
    IFEQ L3
    ALOAD 2
    INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.next ()Ljava/lang/Object; (itf)
    CHECKCAST java/lang/String
    ASTORE 3
   L4
    LINENUMBER 19 L4
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    ALOAD 3
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)V
   L5
    LINENUMBER 20 L5
    GOTO L2
   L3
    LINENUMBER 21 L3
   FRAME CHOP 1
    RETURN
   L6
    LOCALVARIABLE s Ljava/lang/String; L4 L5 3
    LOCALVARIABLE args [Ljava/lang/String; L0 L6 0
    LOCALVARIABLE list Ljava/util/List; L1 L6 1
    // signature Ljava/util/List<Ljava/lang/String;>;
    // declaration: list extends java.util.List<java.lang.String>
    MAXSTACK = 4
    MAXLOCALS = 4
}

字节码分析概览

类信息

类名：com.mozi.Main
版本：Java 17（主版本号 61 对应 JDK 17）
方法：构造函数 <init> 和 main 方法。

1. 构造函数 `<init>`

字节码

public <init>()V
   L0
    LINENUMBER 14 L0
    ALOAD 0
    INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
    RETURN
   L1
    LOCALVARIABLE this Lcom/mozi/Main; L0 L1 0
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

作用：调用父类 Object 的构造函数。

对应 Java 代码

public class Main {
    public Main() {
        super(); // 调用 Object 的构造函数
    }
}

2. `main` 方法

字节码关键步骤

public static main([Ljava/lang/String;)V
   L0
    LINENUMBER 17 L0
    ICONST_2               // 将常量 2 压栈（数组长度）
    ANEWARRAY java/lang/String  // 创建 String[2] 数组
    DUP                    // 复制数组引用（用于后续填充）
    ICONST_0               // 索引 0
    LDC "add"              // 加载字符串 "add"
    AASTORE                // 将 "add" 存入数组索引 0
    DUP                    // 再次复制数组引用
    ICONST_1               // 索引 1
    LDC "add"              // 加载字符串 "add"
    AASTORE                // 将 "add" 存入数组索引 1
    INVOKESTATIC java/util/Arrays.asList (...)  // 转为 List
    ASTORE 1               // 存入局部变量 list (索引 1)

   L1
    LINENUMBER 18 L1
    ALOAD 1                // 加载 list
    INVOKEINTERFACE java/util/List.iterator ()  // 获取迭代器
    ASTORE 2               // 存入局部变量 iterator (索引 2)

   L2
   FRAME APPEND [java/util/List java/util/Iterator]
    ALOAD 2                // 加载迭代器
    INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.hasNext ()  // 检查是否有元素
    IFEQ L3                // 无元素则跳转到 L3（结束循环）
    ALOAD 2
    INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.next ()    // 获取元素
    CHECKCAST java/lang/String  // 强制转换为 String
    ASTORE 3               // 存入局部变量 s (索引 3)

   L4
    LINENUMBER 19 L4
    GETSTATIC java/lang/System.out  // 加载 System.out
    ALOAD 3                // 加载 s
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)  // 打印
   L5
    GOTO L2                // 跳回 L2（继续循环）

   L3
    LINENUMBER 21 L3
    RETURN                 // 方法返回

对应 Java 代码

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 对应 L0: 创建并填充数组，转为 List
        List<String> list = Arrays.asList("add", "add");

        // 遍历 List 并打印每个元素
        for (String s : list) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}

关键字节码指令解析

ANEWARRAY
- 创建引用类型数组（这里是 String[]），长度为栈顶值 2。
- 操作后栈状态：[array_ref]
DUP
- 复制栈顶的数组引用，用于多次填充数组元素。
- 操作后栈状态：[array_ref, array_ref]
AASTORE
- 将值存储到数组中，需要三个操作数：array_ref, index, value。
- 例如：DUP → ICONST_0 → LDC "add" → AASTORE 对应 array[0] = "add"。
CHECKCAST
- 确保从迭代器获取的对象是 String 类型，否则抛出 ClassCastException。
FRAME
- 指示 JVM 栈帧的变化（如局部变量和操作数栈的更新），调试信息的一部分。