HelloAsm（三）使用ASM动态生成class文件
2015-06-23 16:44
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概述
本专栏前面的文章，主要详细讲解了Class文件的格式，并且在上一篇文章中做了总结。 众所周知， JVM在运行时， 加载并执行class文件， 这个class文件基本上都是由我们所写的java源文件通过javac编译而得到的。 但是， 我们有时候会遇到这种情况：在前期（编写程序时）不知道要写什么类， 只有到运行时， 才能根据当时的程序执行状态知道要使用什么类。 举一个常见的例子就是JDK中的动态代理。这个代理能够使用一套API代理所有的符合要求的类， 那么这个代理就不可能在JDK编写的时候写出来， 因为当时还不知道用户要代理什么类。当遇到上述情况时， 就要考虑这种机制：在运行时动态生成class文件。 也就是说， 这个class文件已经不是由你的Java源码编译而来，而是由程序动态生成。 能够做这件事的，有JDK中的动态代理API， 还有一个叫做cglib的开源库。 这两个库都是偏重于动态代理的， 也就是以动态生成class的方式来支持代理的动态创建。 除此之外， 还有一个叫做ASM的库， 能够直接生成class文件，它的api对于动态代理的API来说更加原生， 每个api都和class文件格式中的特定部分相吻合， 也就是说， 如果对class文件的格式比较熟练，
使用这套API就会相对简单。 下面我们通过一个实例来讲解ASM的使用， 并且在使用的过程中， 会对应class文件中的各个部分来说明。
ASM示例：HelloWorld
ASM的实现基于一套Java API， 所以我们首先得到ASM库， 在这个我使用的是ASM 4.0的jar包 。首先以ASM中的HelloWorld实例来讲解， 比如我们要生成以下代码对应的class文件：
public class Example {
public static void main (String[] args) {
System.out.println("Hello world!");
}但是这个class文件不能在开发时通过上面的源码来编译成， 而是要动态生成。 下面我们介绍如何使用ASM动态生成上述源码对应的字节码。
下面是代码示例（该实例来自于ASM官方的sample）：
import java.io.FileOutputStream;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;
public class Helloworld extends ClassLoader implements Opcodes {
public static void main(final String args[]) throws Exception {
//定义一个叫做Example的类
ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
cw.visit(V1_1, ACC_PUBLIC, "Example", null, "java/lang/Object", null);
//生成默认的构造方法
MethodVisitor mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC,
"<init>",
"()V",
null,
null);
//生成构造方法的字节码指令
mw.visitVarInsn(ALOAD, 0);
mw.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V");
mw.visitInsn(RETURN);
mw.visitMaxs(1, 1);
mw.visitEnd();
//生成main方法
mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_STATIC,
"main",
"([Ljava/lang/String;)V",
null,
null);
//生成main方法中的字节码指令
mw.visitFieldInsn(GETSTATIC,
"java/lang/System",
"out",
"Ljava/io/PrintStream;");
mw.visitLdcInsn("Hello world!");
mw.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL,
"java/io/PrintStream",
"println",
"(Ljava/lang/String;)V");
mw.visitInsn(RETURN);
mw.visitMaxs(2, 2);
//字节码生成完成
mw.visitEnd();
// 获取生成的class文件对应的二进制流
byte[] code = cw.toByteArray();
//将二进制流写到本地磁盘上
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("Example.class");
fos.write(code);
fos.close();
//直接将二进制流加载到内存中
Helloworld loader = new Helloworld();
Class<?> exampleClass = loader.defineClass("Example", code, 0, code.length);
//通过反射调用main方法
exampleClass.getMethods()[0].invoke(null, new Object[] { null });
}
}下面详细介绍生成class的过程：
1 首先定义一个类
相关代码片段如下：//定义一个叫做Example的类 ClassWriter cw = new ClassWriter(0); cw.visit(V1_1, ACC_PUBLIC, "Example", null, "java/lang/Object", null);
ClassWriter类是ASM中的核心API ， 用于生成一个类的字节码。 ClassWriter的visit方法定义一个类。
第一个参数V1_1是生成的class的版本号， 对应class文件中的主版本号和次版本号， 即 minor_version和 major_version 。
第二个参数ACC_PUBLIC表示该类的访问标识。这是一个public的类。 对应class文件中的 access_flags 。
第三个参数是生成的类的类名。 需要注意，这里是类的全限定名。 如果生成的class带有包名， 如com.jg.zhang.Example， 那么这里传入的参数必须是com/jg/zhang/Example 。对应class文件中的 this_class 。
第四个参数是和泛型相关的， 这里我们不关新， 传入null表示这不是一个泛型类。这个参数对应class文件中的Signature属性（attribute） 。
第五个参数是当前类的父类的全限定名。 该类直接继承Object。 这个参数对应class文件中的 super_class 。
第六个参数是String[]类型的， 传入当前要生成的类的直接实现的接口。 这里这个类没实现任何接口， 所以传入null 。 这个参数对应class文件中的 interfaces 。
2 定义默认构造方法， 并生成默认构造方法的字节码指令
相关代码片段如下：//生成默认的构造方法 MethodVisitor mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null, null); //生成构造方法的字节码指令 mw.visitVarInsn(ALOAD, 0); mw.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V"); mw.visitInsn(RETURN); mw.visitMaxs(1, 1); mw.visitEnd();
使用上面创建的ClassWriter对象， 调用该对象的visitMethod方法， 得到一个MethodVisitor对象， 这个对象定义一个方法。 对应class文件中的一个method_info 。
第一个参数是 ACC_PUBLIC ， 指定要生成的方法的访问标志。 这个参数对应method_info 中的access_flags 。
第二个参数是方法的方法名。 对于构造方法来说， 方法名为<init> 。 这个参数对应method_info 中的name_index ， name_index引用常量池中的方法名字符串。
第三个参数是方法描述符， 在这里要生成的构造方法无参数， 无返回值， 所以方法描述符为 ()V 。 这个参数对应method_info 中的descriptor_index 。
第四个参数是和泛型相关的， 这里传入null表示该方法不是泛型方法。这个参数对应method_info 中的 S ignature属性。
第五个参数指定方法声明可能抛出的异常。 这里无异常声明抛出， 传入null 。 这个参数对应method_info 中的Exceptions属性。
接下来调用MethodVisitor中的多个方法， 生成当前构造方法的字节码。 对应method_info 中的Code属性。
1 调用visitVarInsn方法，生成aload指令， 将第0个本地变量（也就是this）压入操作数栈。
2 调用visitMethodInsn方法， 生成invokespecial指令， 调用父类（也就是Object）的构造方法。
3 调用visitInsn方法，生成return指令， 方法返回。
4 调用visitMaxs方法， 指定当前要生成的方法的最大局部变量和最大操作数栈。 对应Code属性中的max_stack和max_locals 。
5 最后调用visitEnd方法， 表示当前要生成的构造方法已经创建完成。
3 定义main方法， 并生成main方法中的字节码指令
对应的代码片段如下：mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_STATIC,
"main",
"([Ljava/lang/String;)V",
null,
null);
//生成main方法中的字节码指令
mw.visitFieldInsn(GETSTATIC,
"java/lang/System",
"out",
"Ljava/io/PrintStream;");
mw.visitLdcInsn("Hello world!");
mw.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL,
"java/io/PrintStream",
"println",
"(Ljava/lang/String;)V");
mw.visitInsn(RETURN);
mw.visitMaxs(2, 2);
mw.visitEnd();这个过程和上面的生成默认构造方法的过程是一致的。 读者可对比上一步执行分析。
4 生成class数据， 保存到磁盘中， 加载class数据
对应代码片段如下：// 获取生成的class文件对应的二进制流
byte[] code = cw.toByteArray();
//将二进制流写到本地磁盘上
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("Example.class");
fos.write(code);
fos.close();
//直接将二进制流加载到内存中
Helloworld loader = new Helloworld();
Class<?> exampleClass = loader.defineClass("Example", code, 0, code.length);
//通过反射调用main方法
exampleClass.getMethods()[0].invoke(null, new Object[] { null });这段代码首先获取生成的class文件的字节流， 把它写在本地磁盘的Example.class文件中。 然后加载class字节流， 并通过反射调用main方法。
这段代码执行完， 可以看到控制台有以下输出：
Hello world!
然后在当前测试工程的根目录下， 生成一个Example.class文件文件。
下面我们使用javap反编译这个class文件：
javap -c -v -classpath . -private Example
输出的完整信息如下：
Classfile /C:/Users/纪刚/Desktop/生成字节码/AsmJavaTest/Example.class
Last modified 2014-4-5; size 338 bytes
MD5 checksum 281abde0e2012db8ad462279a1fbb6a4
public class Example
minor version: 3
major version: 45
flags: ACC_PUBLIC
Constant pool:
#1 = Utf8 Example
#2 = Class #1 // Example
#3 = Utf8 java/lang/Object
#4 = Class #3 // java/lang/Object
#5 = Utf8 <init>
#6 = Utf8 ()V
#7 = NameAndType #5:#6 // "<init>":()V
#8 = Methodref #4.#7 // java/lang/Object."<init>":()V
#9 = Utf8 main
#10 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#11 = Utf8 java/lang/System
#12 = Class #11 // java/lang/System
#13 = Utf8 out
#14 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#15 = NameAndType #13:#14 // out:Ljava/io/PrintStream;
#16 = Fieldref #12.#15 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#17 = Utf8 Hello world!
#18 = String #17 // Hello world!
#19 = Utf8 java/io/PrintStream
#20 = Class #19 // java/io/PrintStream
#21 = Utf8 println
#22 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
#23 = NameAndType #21:#22 // println:(Ljava/lang/String;)V
#24 = Methodref #20.#23 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#25 = Utf8 Code
{
public Example();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #8 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=1
0: getstatic #16 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #18 // String Hello world!
5: invokevirtual #24 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
}正是一个标准的class格式的文件， 它和以下源码是对应的：
public class Example {
public static void main (String[] args) {
System.out.println("Hello world!");
}只是， 上面的class文件不是由这段源代码生成的， 而是使用ASM动态创建的。
ASM示例二： 生成字段， 并给字段加注解
上面的HelloWorld示例演示了如何生成类和方法， 该示例演示如何生成字段， 并给字段加注解。public class BeanTest extends ClassLoader implements Opcodes {
/*
* 生成以下类的字节码
*
* public class Person {
*
* @NotNull
* public String name；
*
* }
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
/********************************class***********************************************/
// 创建一个ClassWriter, 以生成一个新的类
ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
cw.visit(V1_6, ACC_PUBLIC, "com/pansoft/espdb/bean/Person", null, "java/lang/Object", null);
/*********************************constructor**********************************************/
MethodVisitor mw = cw.visitMethod(ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null,
null);
mw.visitVarInsn(ALOAD, 0);
mw.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V");
mw.visitInsn(RETURN);
mw.visitMaxs(1, 1);
mw.visitEnd();
/*************************************field******************************************/
//生成String name字段
FieldVisitor fv = cw.visitField(ACC_PUBLIC, "name", "Ljava/lang/String;", null, null);
AnnotationVisitor av = fv.visitAnnotation("LNotNull;", true);
av.visit("value", "abc");
av.visitEnd();
fv.visitEnd();
/***********************************generate and load********************************************/
byte[] code = cw.toByteArray();
BeanTest loader = new BeanTest();
Class<?> clazz = loader.defineClass(null, code, 0, code.length);
/***********************************test********************************************/
Object beanObj = clazz.getConstructor().newInstance();
clazz.getField("name").set(beanObj, "zhangjg");
String nameString = (String) clazz.getField("name").get(beanObj);
System.out.println("filed value : " + nameString);
String annoVal = clazz.getField("name").getAnnotation(NotNull.class).value();
System.out.println("annotation value: " + annoVal);
}
}上面代码是完整的代码， 用于生成一个和以下代码相对应的class：
public class Person {
@NotNull
public String name；
}生成类和构造方法的部分就略过了， 和上面的示例是一样的。 下面看看字段和字段的注解是如何生成的。 相关逻辑如下：
FieldVisitor fv = cw.visitField(ACC_PUBLIC, "name", "Ljava/lang/String;", null, null);
AnnotationVisitor av = fv.visitAnnotation("LNotNull;", true);
av.visit("value", "abc");
av.visitEnd();
fv.visitEnd();ClassWriter的visitField方法， 用于定义一个字段。 对应class文件中的一个filed_info 。
第一个参数是字段的访问修饰符， 这里传入ACC_PUBLIC表示是一个public的属性。 这个参数和filed_info 中的access_flags相对应。
第二个参数是字段的字段名。 这个参数和filed_info 中的name_index相对应。
第三个参数是字段的描述符， 这个字段是String类型的，它的字段描述符为 "Ljava/lang/String;" 。 这个参数和filed_info 中的descriptor_index相对应。
第四个参数和泛型相关的， 这里传入null， 表示该字段不是泛型的。 这个参数和filed_info 中的 S ignature属性相对应。
第五个参数是字段的值， 只适用于静态字段，当前要生成的字段不是静态的， 所以传入null 。 这个参数和filed_info 中的ConstantValue属性相对应。
使用visitField方法定义完当前字段， 返回一个FieldVisitor对象。 下面调用这个对象的visitAnnotation方法， 为该字段生成注解信息。 visitAnnotation的两个参数如下：
第一个参数是要生成的注解的描述符， 传入"LNotNull;" 。
第二个参数表示该注解是否运行时可见。 如果传入true， 表示运行时可见， 这个注解信息就会生成 filed_info 中的一个RuntimeVisibleAnnotation属性。 传入false， 表示运行时不可见， 个注解信息就会生成 filed_info 中的一个RuntimeInvisibleAnnotation属性 。
接下来调用上一步返回的AnnotationVisitor对象的visit方法， 来生成注解的值信息。
ClassWriter的其他重要方法
ClassWriter中还有其他一些重要方法， 这些方法能够生成class文件中的所有相关信息。 这些方法， 以及对象生成class文件中的什么信息， 都列在下面：//定义一个类 public void visit( int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) //定义源文件相关的信息，对应class文件中的Source属性 public void visitSource(String source, String debug) //以下两个方法定义内部类和外部类相关的信息， 对应class文件中的InnerClasses属性 public void visitOuterClass(String owner, String name, String desc) public void visitInnerClass( String name, String outerName, String innerName, int access) //定义class文件中的注解信息， 对应class文件中的RuntimeVisibleAnnotations属性或者RuntimeInvisibleAnnotations属性 public AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, boolean visible) //定义其他非标准属性 public void visitAttribute(Attribute attr) //定义一个字段， 返回的FieldVisitor用于生成字段相关的信息 public FieldVisitor visitField( int access, String name, String desc, String signature, Object value) //定义一个方法， 返回的MethodVisitor用于生成方法相关的信息 public MethodVisitor visitMethod( int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions)
每个方法都是和class文件中的某部分数据相对应的， 如果对class文件的格式比较熟悉的话， 使用ASM生成一个简单的类， 还是很容易的。
总结
在本文中， 通过使用开源的ASM库， 动态生成了两个类。 通过讲解这两个类的生成过程， 可以加深对class文件格式的理解。 因为ASM库中的每个API都是对应class文件中的某部分信息的。 如果对class文件格式不熟悉， 可以参考本专栏之前的讲解class文件格式的一系列博客。本文使用的两个示例都放在了一个单独的， 可直接运行的工程中， 该工程已经上传到我的百度网盘， 这个工程的lib目录中， 有ASM 4.0的jar包。 和该工程一起打包的， 还有ASM 4.0的源码和示例程序。
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