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字节码操纵技术探秘

大家可能已经非常熟悉下面的处理流程:将一个“.java”文件输入到Java编译器中(可能会使用javac,也可能像ANT、Maven或Gradle这样的构建工具),编译器对其进行分析,最终生成一个或多个“.class”文件。

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图1:什么是Java字节码?

如果从命令行中运行构建,并启用verbose的话,我们能够看到解析文件直到生成“.class”文件这一过程的输出。

javac -verbose src/com/example/spring2gx/BankTransactions.java

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所生成的“.class”文件包含了字节码,本质上来讲它就是Java虚拟机(Java virtual machine,JVM)所使用的指令,当程序运行时,它会由Java运行时类加载器进行加载。

在本文中,我们将会研究Java字节码以及如何对其进行操纵,并探讨人们为何想要这样做。

字节码操纵框架

最为流行的字节码操纵框架包括:

本文将会主要关注Javassist和ASM。

我们为什么应该关注字节码操纵呢?

很多常用的Java库,如Spring和Hibernate,以及大多数的JVM语言甚至我们的IDE,都用到了字节码操纵框架。另外,它也确实非常有趣,所以这是一项很有价值的技术,掌握它之后,我们就能完成一些靠其他技术很难实现或无法完成的任务。一旦学会之后,我们的发挥空间将是无限的!

一个很重要的使用场景就是程序分析。例如,流行的bug定位工具FindBugs在底层就使用了ASM来分析字节码并定位bug。有一些软件商店会有一定的代码复杂性规则,比如方法中if/else语句的最大数量以及方法的最大长度。静态分析工具会分析我们的字节码来确定代码的复杂性。

另外一个常见的使用场景就是类生成功能。例如,ORM框架一般都会基于我们的类定义使用代理的机制。或者,在考虑实现应用的安全性时,可能会提供一种语法来添加授权的注解。在这样的场景下,都能很好地运用字节码操纵技术。

像Scala、Groovy和Grails这样的JVM语言都使用了字节码操纵框架。

考虑这样一种场景,我们需要转换库中的类,这些类我们并没有源码,这样的任务通常会由Java profiler来执行。例如,在New Relic,采用了字节码instrumentation技术实现了对方法执行的计时。

借助字节码操纵,我们可以优化或混淆代码,甚至可以引入一些功能,比如为应用添加重要的日志。本文将会关注一个日志样例,这个样例提供使用这些字节码操纵框架的基本工具。

我们的样例

Sue负责一家银行的ATM编程,她有了一项新的需求:针对一些指定的重要操作,在日志中添加关键的数据。

如下是一个简化的银行交易类,它允许用户通过用户名和密码进行登录、进行一些处理、提取一些钱,然后打印“交易完成”。这里的重要操作就是登录和提款。

public void login(String password, String accountId, String userName) { 
// 登录逻辑 
} 
public void withdraw(String accountId, Double moneyToRemove) { 
// 交易逻辑 
}

为了简化编码,Sue会为这些方法调用创建一个@ImportantLog注解,这个注解所包含的输入参数代表了希望记录的方法参数索引。借助这一点,她就可以为login和withdraw方法添加注解了。

/** 
* 方法注解,用于识别 
* 重要的方法,这些方法的调用需要进行日志记录。 
*/ 
public @interface ImportantLog { 
/** 
* 需要进行日志记录的方法参数索引。 
* 例如,如果有名为 
* hello(int paramA, int paramB, int paramC)的方法,我们 
* 希望以日志的形式记录paramA和paramC的值,那么fields 
* 应该是["0","2"]。如果我们只想记录 
* paramB的值,那么fields将会是["1"]。 
*/ 
String[] fields(); 
}

对于login方法,Sue希望记录账户Id和用户名,那么她的fields应该设置为“1”和“2”(她不希望将密码展现出来!)。对于withdraw方法,她的fields应该设置为“0”和“1”,因为她希望输出前两个域:账户ID以及要提取的金额,其审计日志理想情况下应该包含如下的内容:

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要实现该功能,Sue将会使用Java agent技术。Java agent是在JDK 1.5中引入的,它允许我们在处于运行状态的JVM中,修改组成类的字节,在这个过程中,并不需要这些类的源码。

在没有agent的时候,Sue的程序的正常执行流程是这样的:

  1. 在某个主类上运行Java,这个类会由一个类加载器进行加载;
  2. 调用该类的main方法,它会调用预先定义好的处理过程;
  3. 打印“交易完成”。

在引入Java agent之后,会发生几件额外的事情——但是,在此之前,我们先看一下创建agent都需要些什么。agent必须要包含一个类,这个类要具有一个名为premain的方法。这个类必须要打包为JAR文件,这个包中还需要包含一个正确的manifest文件,在manifest文件中要有一个名为Premain-Class的条目。在启动的时候,必须要设置一个启动项,指向该JAR文件的路径,这样的话,JVM才能知道这个agent:

java -javaagent:/to/agent.jar com/example/spring2gx/BankTransactions

在premain方法中,我们可以注册一个Transformer,它会在每个类加载的时候,捕获它的字节,进行所需的修改,然后返回修改后的字节。在Sue的样例中,Transformer会捕获BankTransaction,在这里她会作出修改并返回修改后的字节,这也就是类加载器所加载的字节,main方法将会执行原有的功能,除此之外还会增加Sue所需的日志增强。

当agent类加载后,它的premain方法会在应用程序的main方法之前被调用。

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图2:使用Java agent的过程。

我们最好来看一个样例。

Agent类不需要实现任何接口,但是它必须要包含一个premain方法,如下所示:

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Transformer类包含了一个transform方法,它的签名会接受ClassLoader、类名、要重定义的类所对应的Class对象、定义权限的ProtectionDomain以及这个类的原始字节。如果从transform方法中返回null的话,将会告诉运行时环境我们并没有对这个类进行变更。

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如果要修改类的字节的话,我们需要在transform中提供字节码操纵的逻辑并返回修改后的字节。

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Javassist

Javassist(“Java Programming Assistant”的缩写形式)是JBoss的子项目,包含了高层级的基于对象的API,同时也包含了低层级更接近字节码的API。基于对象的API社区更为活跃,这也是本文所关注的焦点。读者可以参考 Javassist站点 以获取完整的使用指南。

在Javassist中,进行类表述的基本单元是CtClass(即“编译时的类”,compile time class)。组成程序的这些类会存储在一个ClassPool中,它本质上就是CtClass实例的一个容器。

ClassPool的实现使用了一个HashMap,其中key是类的名称,而value是对应的CtClass对象。

正常的Java类都会包含域、构造器以及方法。在CtClass中,分别与之对应的是CtField、CtConstructor和CtMethod。要定位某个CtClass,我们可以根据名称从ClassPool中获取,然后通过CtClass得到任意的方法,并做出我们的修改。

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图3

CtMethod中包含了相关方法的代码行。我们可以借助insertBefore命令在方法开始的地方插入代码。Javassist非常棒的一点在于我们所编写的是纯Java,只不过需要提醒一下:Java代码必须要以引用字符串的形式来实现。但是,大多数的人都会同意这种方式要比处理字节码好得多!(尽管如此,如果你碰巧喜欢直接处理字节码的话,那么可以关注本文ASM相关的内容。)JVM包含了一个字节码验证器(verifier),以防止出现不合法的字节码。如果在你的Javassist代码中,所使用的Java是非法的,那么在运行时字节码验证器会拒绝它。

与insertBefore类似,还有一个名为insertAfter的方法,借助它我们可以在相关方法的结尾处插入代码。我们还可以使用insertAt方法,从而在相关方法的中间插入代码,或者使用addCatch添加catch语句。

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现在,让我们打开IDE,然后编码实现这个日志特性,首先从Agent(包含premain)和ClassTransformer开始。

package com.example.spring2gx.agent;
public class Agent {
 public static void premain(String args, Instrumentation inst) {
   System.out.println("Starting the agent");
   inst.addTransformer(new ImportantLogClassTransformer());
 }
}

package com.example.spring2gx.agent;
import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException;
import java.security.ProtectionDomain;

public class ImportantLogClassTransformer
   implements ClassFileTransformer {

 public byte[] transform(ClassLoader loader, String className,
                Class classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain,
                byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
// 在这里操纵字节
     return modified_bytes;
 }

为了添加审计日志,首先要实现transform,将类的字节转换为CtClass对象。然后,我们可以迭代它的方法,并捕获其中带有@ImportantLogin注解的方法,获取要进行日志记录的输入参数索引,并将相关的代码插入到方法开头的位置上。

public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, 
                        Class classBeingRedefined, 
                        ProtectionDomain protectionDomain, 
                        byte[] cfbuffer) throws IllegalClassFormatException { 
// 将字节数组转换为CtClass对象
    pool.insertClassPath(new ByteArrayClassPath(className,classfileBuffer)); 
// 将路径斜线转换为点号
    CtClass cclass = pool.get(className.replaceAll("/", ".")); 
    if (!cclass.isFrozen()) { 
// 检查CtClass的每个方法是否有@ImportantLog注解
      for (CtMethod currentMethod : cclass.getDeclaredMethods()) { 
// 查找@ImportantLog注解
        Annotation annotation = getAnnotation(currentMethod); 
        if (annotation != null) { 
// 如果方法上有@ImportantLog注解的话,那么
// 获得重要方法的参数索引
          List parameterIndexes = getParamIndexes(annotation); 
// 在方法的开头位置添加日志语句
          currentMethod.insertBefore(
                 createJavaString(currentMethod, className, parameterIndexes)); 
        } 
      } 
      return cclass.toBytecode(); 
    } 
    return null; 
  }

Javassist注解可以声明为“不可见的(invisible)”和“可见的(visible)”。不可见的注解只会在类加载和编译期可见,它们在声明时需要将RententionPolicy.CLASS参数传递到注解中。可见注解(RententionPolicy.RUNTIME)在运行期会加载,并且是可见的。对于本例来说,我们只在编译期需要这些属性,因此将其设为不可见的。

getAnnotation方法会扫描@ImportantLog注解,如果找不到注解的话,将会返回null。

private Annotation getAnnotation(CtMethod method) { 
    MethodInfo methodInfo = method.getMethodInfo(); 
    AnnotationsAttribute attInfo = (AnnotationsAttribute) methodInfo 
      .getAttribute(AnnotationsAttribute.invisibleTag); 
    if (attInfo != null) { 
      return attInfo.getAnnotation("com.example.spring.mains.ImportantLog"); 
    } 
    return null; 
  }

在得到注解之后,我们就可以检索参数索引了。通过使用Javassist的ArrayMemberValue,会以字符串数组的形式返回成员field的值,然后我们就可以对其进行遍历,从而获取在注解中所嵌入的field索引。

private List getParamIndexes(Annotation annotation) { 
    ArrayMemberValue fields =
                    (ArrayMemberValue) annotation.getMemberValue(“fields”); 
    if (fields != null) { 
      MemberValue[] values = (MemberValue[]) fields.getValue(); 
      List parameterIndexes = new ArrayList(); 
      for (MemberValue val : values) { 
        parameterIndexes.add(((StringMemberValue) val).getValue()); 
      } 
      return parameterIndexes; 
    } 
    return Collections.emptyList(); 
  }

最后,我们可以借助createJavaString在某个位置插入日志语句。

1     private String createJavaString(CtMethod currentMethod, 
2                  String className, List indexParameters) { 
3       StringBuilder sb = new StringBuilder(); 
4       sb.append("{StringBuilder sb = new StringBuilder"); 
5       sb.append("(/"A call was made to method '/");"); 
6       sb.append("sb.append(/""); 
7       sb.append(currentMethod.getName()); 
8       sb.append("/");sb.append(/"' on class '/");"); 
9       sb.append("sb.append(/""); 
10      sb.append(className); 
11      sb.append("/");sb.append(/"'./");"); 
12      sb.append("sb.append(/"//n Important params:/");"); 
13   
14      for (String index : indexParameters) { 
15        try { 
16          int localVar = Integer.parseInt(index) + 1; 
17          sb.append("sb.append(/"//n Index: /");"); 
18          sb.append("sb.append(/""); 
19          sb.append(index); 
20          sb.append("/");sb.append(/" value: /");"); 
21          sb.append("sb.append($" + localVar + ");"); 
22        } catch (NumberFormatException e) { 
23          e.printStackTrace(); 
24        } 
25      } 
26      sb.append("System.out.println(sb.toString());}"); 
27      return sb.toString(); 
28    } 
29  }

在我们的实现中,创建了一个StringBuilder,它首先拼接了一些报头信息,紧接着是方法名和类名。需要注意的一件事情是,如果我们插入多行Java语句的话,需要将其用大括号括起来(参见第4行和第26行)。

(如果只有一条语句的话,那没有必要使用括号。)

前文基本上已经全部涵盖了使用Javassist添加审计日志的代码。回顾一下,它的优势在于:

  • 因为它使用我们所熟悉的Java语法,所以不需要学习字节码;
  • 没有太多的编码工作要做;
  • Javassist已经有了很棒的文档。

它的不足之处在于:

  • 不使用字节码会限制它的功能;
  • Javassist会比其他的字节码操纵框架更慢一些。

ASM

ASM最初是一个博士研究项目,在2002年开源。它的更新非常活跃,从5.x版本开始支持Java 8。ASM包含了一个基于事件的库和一个基于对象的库,分别类似于SAX和DOM XML解析器。本文将会关注事件驱动的库,我们可以在 这里 找到完整的文档。

一个Java类是由很多组件组成的,包括超类、接口、属性、域和方法。在使用ASM时,我们可以将其均视为事件。我们会提供一个ClassVisitor实现,通过它来解析类,当解析器遇到每个组件时,ClassVisitor上对应的“visitor”事件处理器方法会被调用(始终按照上述的顺序)。

package com.sun.xml.internal.ws.org.objectweb.asm; 
   public interface ClassVisitor { 
       void visit(int version, int access, String name, String signature, 
                                  String superName, String[] interfaces);
       void visitSource(String source, String debug); 
       void visitOuterClass(String owner, String name, String desc); 
       AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, boolean visible); 
       void visitAttribute(Attribute attr); 
       void visitInnerClass(String name, String outerName, 
                            String innerName, int access); 
       FieldVisitor visitField(int access, String name, String desc, 
                               String signature, Object value); 
       MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, 
                                 String signature, String[] exceptions); 
       void visitEnd(); 
   }

接下来,我们将Sue的BankTransaction(在本文的开头中进行了定义)传递到一个ClassReader中进行解析,以便对这种处理方式有个直观的感觉。

同样,我们需要从Agent premain开始:

import java.lang.instrument.Instrumentation; 
public class Agent { 
  public static void premain(String args, Instrumentation inst) { 
    System.out.println("Starting the agent"); 
    inst.addTransformer(new ImportantLogClassTransformer()); 
  } 
}

然后,将输出的字节传递给不进行任何操作(no-op)的ClassWriter,将解析得到的字节全部写回到字节数组中,得到一个重新生成的BankTransaction,它的行为与原始类的行为是完全一致的。

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图4

import jdk.internal.org.objectweb.asm.ClassReader; 
import jdk.internal.org.objectweb.asm.ClassWriter; 
import jdk.internal.org.objectweb.asm.ClassVisitor;

import java.lang.instrument.ClassFileTransformer; 
import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException; 
import java.security.ProtectionDomain; 

public class ImportantLogClassTransformer implements ClassFileTransformer { 
  public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, 
               Class classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, 
               byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException { 
    ClassReader cr = new ClassReader(classfileBuffer); 
    ClassWriter cw = new ClassWriter(cr, ClassWriter.COMPUTE_FRAMES); 
    cr.accept(cw, 0); 
    return cw.toByteArray(); 
  } 
}

现在,我们修改一下ClassWriter,让它做一些更有用的事情,这需要添加一个ClassVisitor(名为LogMethodClassVisitor)来调用我们的事件处理方法,如visitField或visitMethod,在解析时遇到相关组件时就会调用这些方法。

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图5

public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, 
             Class classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, 
             byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException { 
    ClassReader cr = new ClassReader(classfileBuffer); 
    ClassWriter cw = new ClassWriter(cr, ClassWriter.COMPUTE_FRAMES); 
    ClassVisitor cv = new LogMethodClassVisitor(cw, className); 
    cr.accept(cv, 0); 
    return cw.toByteArray(); 
  }

对于日志记录的需求,我们想要检查每个方法是否具有标示注解并添加特定的日志。我们只需要重写ClassVisitor的visitMethod方法,让它返回一个MethodVisitor,从而提供我们自己的实现。就像类是由多个组件组成的一样,方法也是由多个组件组成的,对应着方法属性、注解以及编译后的代码。ASM的MethodVisitor提供了一种钩子(hook)机制,以便访问方法中的每个操作码(opcode),这样我们就能以很细的粒度来进行修改。

public class LogMethodClassVisitor extends ClassVisitor { 
  private String className; 
  public LogMethodIfAnnotationVisitor(ClassVisitor cv, String className) { 
    super(Opcodes.ASM5, cv); 
    this.className = className; 
  } 
  @Override 
  public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, 
                                   String signature, String[] exceptions) { 
// 将我们的逻辑放在这里 
  } 
}

同样的,事件处理器会始终按照预先定义的相同顺序来调用,所以在实际 访问(visit) 代码的时候,我们就已经得知了方法的所有属性和注解。(顺便说一下,我们还可以将多个MethodVisitor链接在一起,就像我们可以链接多个ClassVisitor实例一样。)所以,在visitMethod方法中,我们将会通过PrintMessageMethodVisitor添加钩子,重载visitAnnotation方法来获取注解并插入任意所需的日志代码。

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我们的PrintMessageMethodVisitor重载了两个方法。首先是visitAnnotation,所以可以检查方法的@ImportantLog注解。如果存在这个注解的话,我们需要提取field属性上的索引。当visitCode执行的时候,是否存在注解已经确定了,所以我们就可以添加特定的日志了。visitAnnotation的代码以钩子的形式添加到了AnnotationVisitor中,它能够暴露@ImportantLog 注解上的field参数。

public AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, boolean visible) { 
    if ("Lcom/example/spring2gx/mains/ImportantLog;".equals(desc)) { 
      isAnnotationPresent = true; 
      return new AnnotationVisitor(Opcodes.ASM5, 
        super.visitAnnotation(desc, visible)) { 
        public AnnotationVisitor visitArray(String name) { 
          if (“fields”.equals(name)){ 
            return new AnnotationVisitor(Opcodes.ASM5, 
              super.visitArray(name)) { 
              public void visit(String name, Object value) { 
                parameterIndexes.add((String) value); 
                super.visit(name, value); 
              } 
            }; 
          }else{ 
            return super.visitArray(name); 
          } 
        } 
      }; 
    } 
    return super.visitAnnotation(desc, visible); 
  }

现在,我们来看一下visitCode方法。首先,它必须要检查AnnotationVisitor是否有注解存在的标记。如果有的话,那么添加我们自己的字节码。

public void visitCode() { 
    if (isAnnotationPresent) { 
// 创建string builder 
      mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out",  
                                           "Ljava/io/PrintStream;"); 
      mv.visitTypeInsn(Opcodes.NEW, "java/lang/StringBuilder"); 
      mv.visitInsn(Opcodes.DUP); 
// 将所需的所有内容添加到string builder上 
      mv.visitLdcInsn("A call was made to method /""); 
      mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESPECIAL, "java/lang/StringBuilder", 
                         "",  "(Ljava/lang/String;)V", false); 
      mv.visitLdcInsn(methodName); 
      mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", 
             "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false); 

    }

这是ASM非常恐怖的一点——我们必须要编写字节码,所以要学习新的东西。这是一门相当简单的语言,但是如果你只是想随便了解一下的话,那么可以非常容易地借助javap得到现有的字节码:

javap -c com/example/spring2gx/mains/PrintMessage

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我推荐你在一个Java测试类中编写你所需的代码、对其进行编译,然后通过javap -c来运行它,以便查看精确的字节码。在上面的样例代码中,以蓝字显示的所有内容都是字节码。其中的每一行都是一个单字节的操作码,后面跟着零个或更多的参数。我们需要为目标代码确定这些参数,它们通常可以通过对原始类执行javap-c -v进行抽取(这里-v代表的意思是verbose,将会展示常量池)。

我鼓励读者查阅一下 JVM规范 ,该规范定义了所有的字节码。有一些操作,比如load和store(会将数据在操作栈和本地变量之间进行转移),针对每种参数形式都进行了重载。例如,ILOAD会将一个整型值的本地变量推送到栈中,而LLOAD会对长整型执行相同的操作。

除此之外,还有像invokeVirtual、invokeSpecial、invokeStatic这样的操作,以及最近新添加的invokeDynamic,它们分别用来调用标准的实例方法、构造器、静态方法以及动态类型的JVM语言中的动态方法。另外,还有创建新对象的new操作符,以及复制栈顶操作数的指令。

总结起来,ASM的优势在于:

  • 它的内存占用很小;
  • 它的运行通常会非常快;
  • 在网上,它的文档很丰富;
  • 所有的操作码都是可用的,所以可以通过它做很多的事情;
  • 有很多的社区支持。

它只有一个不足之处,但这是很大的不足:我们编写的是字节码,所以需要理解在幕后是如何运行的,这样的话,开发人员所需要的时间就会增加。

我们学到了什么

  • 当我们处理字节码操纵时,很重要的一点就是步子不要太大。不要编写大量的字节码并希望它们能够立即通过验证并且可以执行。每次只编写一行,考虑一下在你的栈中会有什么,考虑一下局部变量,然后再写下一行。如果它不能通过验证器的校验,那么每次只对一个地方进行修改,否则的话,你永远无法让其正常运行起来。另外,还需要记住,除了JVM的验证器以外,ASM还维护了一个单独的字节码验证器,所以我们最好运行这两个验证器,检查你的字节码是否能够通过它们两者的校验。
  • 在修改类的时候,很重要的一点就是要考虑类加载机制。当我们使用Java agent的时候,它的transformer会在类加载进JVM时接触到每个类,并不关心是哪个类加载器加载的它。所以,我们需要确保类加载器也能看到对应的对象,否则的话,就会遇到麻烦。
  • 如果你将Javassist与应用服务器组合使用时,应用服务器会有多个类加载器,注意类池(class pool)需要能够访问到你的类对象。我们可能需要为类池注册一个新的类路径,以确保它能访问类对象。你可以将类池链接起来,就像Java将类加载器链接起来一样,这样,如果在类池中无法找到CTClass对象的话,它能够访问它的父类池进行查找。
  • 最后,还有很重要的一点需要注意,那就是JDK本身也有转换类的功能,JDK已经转换过的类会有一些特定的限制。我们可以修改方法的实现,但是与原始的转换不同,此时,重新转换就不允许改变类的结构了,例如添加新的域或方法,或者修改签名。

字节码操纵能够让我们的生活更加轻松。我们可以查找缺陷、添加日志(就像之前所讨论的)、混淆源码、执行像Spring或Hibernate这样的预处理,甚至编写自己的语言编译器。我们还可以限制API调用、通过分析代码来查看是否有多个线程访问同一个集合、从数据库中懒加载数据,并且还可以通过探测JAR包,寻找这些包的差异。

所以,我鼓励你选择某个字节码操纵框架为友,也许有一天,它就能拯救你的工作。

本文根据来自New Relic的Ashley Puls在Spring One上的演讲整理而来,完整的演讲可以在该地址观看和下载。

关于作者

字节码操纵技术探秘 Victor Grazi 是InfoQ的Java板块主编。在2012年,他曾成为Oracle Java Champion,Victor就职于Nomura Securities,从事核心平台工具相关的工作,同时还担任技术咨询和Java布道师。在技术会议上,他经常做一些演讲。Victor还负责着名为“Java Concurrent Animated”和“Bytecode Explorer”开源项目。

查看英文原文: Living in the Matrix with Bytecode Manipulation

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