Introduction to Java bytecode

1. Байткод для любознательных
@antonarhipov
JPoint 2016

2. Антон Архипов
• ZeroTurnaround
• Product Manager
• Таллин, Эстония
• Инструменты для Java-разработчиков
• Программирую на Java с 2001 года

4. Зачем?
• Стоит знать свою платформу!
• Может быть вы хотите написать свой компилятор?
• Фреймворки (AOP, ORM)
• Всевозможные инструменты, например JRebel :)
• … ну или может просто скучно?

5. INTRO

6. 1 + 2

7. 1 + 2
1 2 +

8. 1 + 2
1 2 +

9. 1 + 2
1 2 + PUSH 1
1

10. 1 + 2
1 2 + PUSH 1
PUSH 2
2
1

11. 1 + 2
1 2 + PUSH 1
PUSH 2
ADD
3

12. 1 + 2
1 2 + ICONST_1
ICONST_2
IADD
3

13. ? = 1 + 2

14. ТАКСОНОМИЯ

15. Байт-код
• Одно-байтные инструкции
• 256 возможных вариантов
• Используется 200+

16. ОПЕРАЦИЯТИП

17. • <тип> ::= b, s, c, i, l, f, d, a
ОПЕРАЦИЯТИП

18. • <тип> ::= b, s, c, i, l, f, d, a
• константы (ldc, iconst_1)
ОПЕРАЦИЯТИП

19. • <тип> ::= b, s, c, i, l, f, d, a
• константы (ldc, iconst_1)
• локальные переменные и стек (load/store)
• Операции с массивами (aload, astore)
• Арифметика (add, sub, mul, div)
• Булевые/битовые операции (iand, ixor)
• Сравнения (cmpg, cmpl, ifne, ifeq)
• Преобразования (l2d, i2l)
ОПЕРАЦИЯТИП

20. Таксономия

21. Работа со
стеком
Таксономия

22. Работа со
стеком
Инструкции
управления
Таксономия

23. Работа со
стеком
Инструкции
управления
Работа с
объектами
Таксономия

24. Работа со
стеком
Инструкции
управления
Арифметика
Работа с
объектами
Таксономия

25. Работа со
стеком
Инструкции
управления
Арифметика
Работа с
объектами
monitorenter
monitorexit
Таксономия

26. ИНСТРУМЕНТАРИЙ

27. javap
• Дизассемблер Java класс-файлов
• По-умолчанию показывает только структуру
класса
– Методы, супер-класс, интерфейсы, итд
• -c покажет байткод методов
• -private покажет все приватные поля и методы
• -s покажет сигнатуры
• -l покажет номера строк и таблицу локальных
переменных

28. Java Bytecode Editor — http://set.ee/jbe/

29. ObjectWeb ASM

30. HELLO WORLD!

32. C:workgeeconclasses>javap Hello -c

33. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return

34. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
конструктор по-умолчанию

35. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
выложить this на стек

36. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
вызвать <init> для this

37. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return

38. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3; //String Hello, World!
5: invokevirtual #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

39. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3; //String Hello, World!
5: invokevirtual #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
обратиться к статическому полю

40. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3; //String Hello, World!
5: invokevirtual #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
загрузить строковую константу в стек

41. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3; //String Hello, World!
5: invokevirtual #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
вызвать метод с параметром

42. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3; //String Hello, World!
5: invokevirtual #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

43. C:workgeeconclasses>javap Hello -c
Compiled from "Hello.java"
public class Hello extends java.lang.Object{
public Hello();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3; //String Hello, World!
5: invokevirtual #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
Что такое #1,#2, итд ?

44. C:workgeeconclasses>javap Hello -c -verbose

45. C:workgeeconclasses>javap Hello -c -verbose

46. C:workgeeconclasses>javap Hello -c -verbose
Compiled from "Hello.java“
public class Hello extends java.lang.Object
SourceFile: "Hello.java"
minor version: 0
major version: 50
Constant pool:
const #1 = Method #6.#20; // java/lang/Object."<init>":()V
const #2 = Field #21.#22; // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
const #3 = String #23; // Hello, World!
const #4 = Method #24.#25; // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
const #5 = class #26; // Hello
const #6 = class #27; // java/lang/Object
const #7 = Asciz <init>;
const #8 = Asciz ()V;

47. C:workgeeconclasses>javap Hello -c -verbose
Compiled from "Hello.java“
public class Hello extends java.lang.Object
SourceFile: "Hello.java"
minor version: 0
major version: 50
Constant pool:
const #1 = Method #6.#20; // java/lang/Object."<init>":()V
const #2 = Field #21.#22; // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
const #3 = String #23; // Hello, World!
const #4 = Method #24.#25; // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
const #5 = class #26; // Hello
const #6 = class #27; // java/lang/Object
const #7 = Asciz <init>;
const #8 = Asciz ()V;

48. C:workgeeconclasses>javap Hello -c -verbose
…
public Hello();
Code:
Stack=1, Locals=1, Args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 1: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LHello;

49. C:workgeeconclasses>javap Hello -c -verbose
…
public Hello();
Code:
Stack=1, Locals=1, Args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 1: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LHello;

50. C:workgeeconclasses>javap Hello -c -verbose
…
public Hello();
Code:
Stack=1, Locals=1, Args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 1: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LHello;

51. C:workgeeconclasses>javap Hello -c -verbose
…
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
Stack=2, Locals=1, Args_size=1
0: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3; //String Hello, World!
5: invokevirtual #4; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
LineNumberTable:
line 4: 0
line 5: 8
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 9 0 args [Ljava/lang/String;

52. МОДЕЛЬ ВЫЧИСЛЕНИЙ

53. • JVM работает со стеком
• У каждого потока есть стек
• Стек сохраняет “фреймы”
• Новый “фрейм” создаётся при вызове метода
• “Фрейм состоит из”:
– Стек операций
– Массив локальных переменных
Стековая машина

54. Стек операций
Локальные переменные
20 1 N…
Константы
#1

55. public java.lang.String getName();
Code:
Stack=1, Locals=1, Args_size=1
0: aload_0
1: getfield #2; //Field name:Ljava/lang/String;
4: areturn
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LGet;

56. public java.lang.String getName();
Code:
Stack=1, Locals=1, Args_size=1
0: aload_0
1: getfield #2; //Field name:Ljava/lang/String;
4: areturn
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LGet;
aload_0 getfield 00 02 areturn
0 1 2 3 4

57. public java.lang.String getName();
Code:
Stack=1, Locals=1, Args_size=1
0: aload_0
1: getfield #2; //Field name:Ljava/lang/String;
4: areturn
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LGet;
2A B4 00 02 B0
0 1 2 3 4

58. public java.lang.String getName();
Code:
Stack=1, Locals=1, Args_size=1
0: aload_0
1: getfield #2; //Field name:Ljava/lang/String;
4: areturn
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LGet;

60. СТЕКОВЫЕ ОПЕРАЦИИ

61. A
B
dup
pop
swap
dup_x1
dup2_x1

62. A
B
dup
pop
swap
dup_x1
dup2_x1
A

63. dup
pop
swap
dup_x1
dup2_x1
A
B

64. dup
pop
swap
dup_x1
dup2_x1
A
B

65. dup
pop
swap
dup_x1
dup2_x1
A
B
B

66. dup
pop
swap
dup_x1
dup2_x1
A
B
B
B
A

67. dup2_x2
Как поменять
местами две
переменные типа
double?

69. dconst_0
0.0

70. dconst_0
dconst_1 1.0
0.0

71. dconst_0
dconst_1
swap
1.0
0.0

72. dconst_0
dconst_1
swap
1.0
0.0
нельзя!

73. dconst_0
dconst_1
swap2
1.0
0.0

74. dconst_0
dconst_1
swap2
1.0
0.0
нет такой
инструкции

75. dconst_0
dconst_1
dup2_x2
1.0
0.0
1.0

76. dconst_0
dconst_1
dup2_x2
pop2
0.0
1.0

77. dconst_0
dconst_1
dup2_x2
pop2
0.0
1.0
profit!
☺

78. ЛОКАЛЬНЫЕ ПЕРЕМЕННЫЕ

79. Локальные переменные

80. public int calculate(int);
Code:
Stack=2, Locals=2, Args_size=2
…
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LLocalVariables;
0 5 1 value I
Локальные переменные

81. public int calculate(int);
Code:
Stack=2, Locals=2, Args_size=2
…
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LLocalVariables;
0 5 1 value I
Нумеровка
элементов с
нуля
Локальные переменные

82. у виртуальныхметодовthis всегда напозиции 0
public int calculate(int);
Code:
Stack=2, Locals=2, Args_size=2
…
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LLocalVariables;
0 5 1 value I
Локальные переменные

83. public int calculate(int);
Code:
Stack=2, Locals=2, Args_size=2
…
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LLocalVariables;
0 5 1 value I
таблица
сопоставления
названия
переменных к
порядковому
номеру
Локальные переменные

84. public int calculate(int);
Code:
Stack=2, Locals=2, Args_size=2
…
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this LLocalVariables;
0 5 1 value I
размерность
предопределена
Локальные переменные

85. ldc "Hello"
astore_0
iconst_1
astore_1
aload_0
глубина значение
Стек
переменная значение
Локальные
переменные
0
1
2
3
4
0
1
2
3
4

86. ldc "Hello"
astore_0
iconst_1
astore_1
aload_0
"Hello"0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
глубина значение
Стек
переменная значение
Локальные
переменные

87. ldc "Hello"
astore_0
iconst_1
astore_1
aload_0
"Hello"0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
глубина значение
Стек
переменная значение
Локальные
переменные

88. ldc "Hello"
astore_0
iconst_1
astore_1
aload_0
"Hello"0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
1
глубина значение
Стек
переменная значение
Локальные
переменные

89. ldc "Hello"
astore_0
iconst_1
astore_1
aload_0
"Hello"0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
1
глубина значение
Стек
переменная значение
Локальные
переменные

90. ldc "Hello"
astore_0
iconst_1
astore_1
aload_0
"Hello"0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
1
"Hello"
глубина значение
Стек
переменная значение
Локальные
переменные

91. Стек
Таблица
локальных
переменных
store
load

92. ОБЪЕКТЫ

93. new
<init>
<clinit>
инициализация экземпляра объекта
инициализация класса
Создание объектов
0xBB

94. static {}
static {};
Code:
0: iconst_1
1: putstatic #2; //Field a:I
4: iconst_2
5: putstatic #3; //Field b:I
8: return

95. static {}
static {};
Code:
0: iconst_1
1: putstatic #2; //Field a:I
4: iconst_2
5: putstatic #3; //Field b:I
8: return
<clinit>

96. new

97. new

98. new
public Initializer();
Code:

99. new
public Initializer();
Code:
0: aload_0

100. new
public Initializer();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V

101. new
public Initializer();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0

102. new
public Initializer();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: new #2; //class java/lang/Object
8: dup

103. new
public Initializer();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: new #2; //class java/lang/Object
8: dup
9: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
12: putfield #3; //Field o:Ljava/lang/Object;

104. new
public Initializer();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: new #2; //class java/lang/Object
8: dup
9: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
12: putfield #3; //Field o:Ljava/lang/Object;
15: return

105. new
public Initializer();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: new #2; //class java/lang/Object
8: dup
9: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
12: putfield #3; //Field o:Ljava/lang/Object;
15: return

106. { }

107. { }
?

108. { }
public Initializer(int);
Code:
0:aload_0
1:invokespecial #1; // ..<init>
4:aload_0
5:iconst_1
6:putfield #2; //Field a:I
9:aload_0
10:iconst_2
11:putfield #3; //Field c:I
14:aload_0
15:iload_1
16:putfield #4; //Field b:I
19:return

109. ВЫЗОВЫ МЕТОДОВ

110. invokeXXX
• invokestatic
• invokespecial
• invokevirtual
• invokeinterface
• invokedynamic

111. invokestatic
• invokestatic
• invokespecial
• invokevirtual
• invokeinterface
• invokedynamic
Integer.valueOf(“42”)

112. invokespecial
• invokestatic
• invokespecial
• invokevirtual
• invokeinterface
• invokedynamic
<init>
private void foo();
super.method();

113. • invokestatic
• invokespecial
• invokevirtual
• invokeinterface
• invokedynamic
invokevirtual
class A
class B
A/method1
A/method2
A/method1
B/method2
B/method3

114. invokeinterface
• invokestatic
• invokespecial
• invokevirtual
• invokeinterface
• invokedynamic
Efficient Implementation of Java Interfaces: Invokeinterface Considered
Harmless, Bowen Alpern, Anthony Cocchi, Stephen Fink, David Grove, and
Derek Lieber, OOPSLA’01
class A
class B impl X
A/method1
A/method2
A/method1
B/method2
B/method3
X/methodX
D impl X
D/method1
X/methodX

115. Вызов метода

116. obj.method(param1, param2);
Вызов метода

117. obj.method(param1, param2);
Вызов метода

118. obj.method(param1, param2);
push obj
push param1
push param2
call method
Вызов метода

119. obj.method(param1, param2);
push obj
push param1
push param2
call method
obj
Вызов метода

120. obj.method(param1, param2);
push obj
push param1
push param2
call method
obj
param1
Вызов метода

121. obj.method(param1, param2);
push obj
push param1
push param2
call method
obj
param1
param2
Вызов метода

122. obj.method(param1, param2);
push obj
push param1
push param2
call method
obj?
Вызов метода

123. this.add(1, 2);
0: aload_0
1: iconst_1
2: iconst_2
3: invokevirtual #2; //Method add:(II)I
Вызов метода

124. ВНУТЕРННИЕ КЛАССЫ
INNER CLASSES

125. Внутренние классы

126. class Car$Engine extends j.l.Object{
final Car this$0;
Car$Engine(Car);
public void start();
Code:
0: aload_0
1: getfield #1; //Field this$0:LCar;
4: invokestatic #3; // Car.access$000:(LCar;)V
7: return
}
Внутренние классы

127. public class Car extends j.l.Object{
public Car();
private void move();
static void access$000(Car);
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; // move: ()V;
4: return
}
class Car$Engine extends j.l.Object{
final Car this$0;
Car$Engine(Car);
public void start();
Code:
0: aload_0
1: getfield #1; //Field this$0:LCar;
4: invokestatic #3; // Car.access$000:(LCar;)V
7: return
}
Внутренние классы

128. public class Car extends j.l.Object{
public Car();
private void move();
static void access$000(Car);
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; // move: ()V;
4: return
}
class Car$Engine extends j.l.Object{
final Car this$0;
Car$Engine(Car);
public void start();
Code:
0: aload_0
1: getfield #1; //Field this$0:LCar;
4: invokestatic #3; // Car.access$000:(LCar;)V
7: return
}
Внутренние классы

129. @antonarhipov
anton@zeroturnaround.com