AOP 的利器：ASM 3.0 介绍(二）

为什么选择 ASM？
最直接的改造 Java 类的方法莫过于直接改写 class 文件。Java 规范详细说明了class 文件的格式，直接编辑字节码确实可以改变 Java 类的行为。直到今天，还有一些 Java 高手们使用最原始的工具，如 UltraEdit 这样的编辑器对 class 文件动手术。是的，这是最直接的方法，但是要求使用者对 Java class 文件的格式了熟于心：小心地推算出想改造的函数相对文件首部的偏移量，同时重新计算 class 文件的校验码以通过 Java 虚拟机的安全机制。
Java 5 中提供的 Instrument 包也可以提供类似的功能：启动时往 Java 虚拟机中挂上一个用户定义的 hook 程序，可以在装入特定类的时候改变特定类的字节码，从而改变该类的行为。但是其缺点也是明显的：

Instrument 包是在整个虚拟机上挂了一个钩子程序，每次装入一个新类的时候，都必须执行一遍这段程序，即使这个类不需要改变。
直接改变字节码事实上类似于直接改写 class 文件，无论是调用

ClassFileTransformer. transform(ClassLoader loader, String className, Class classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer)

，还是

Instrument.redefineClasses(ClassDefinition[] definitions)

，都必须提供新 Java 类的字节码。也就是说，同直接改写 class 文件一样，使用 Instrument 也必须了解想改造的方法相对类首部的偏移量，才能在适当的位置上插入新的代码。

尽管 Instrument 可以改造类，但事实上，Instrument 更适用于监控和控制虚拟机的行为。
一种比较理想且流行的方法是使用

java.lang.ref.proxy

。我们仍旧使用上面的例子，给

Account

类加上 checkSecurity 功能:
首先，Proxy 编程是面向接口的。下面我们会看到，Proxy 并不负责实例化对象，和 Decorator 模式一样，要把

Account

定义成一个接口，然后在

AccountImpl

里实现

Account

接口，接着实现一个

InvocationHandler

Account

方法被调用的时候，虚拟机都会实际调用这个

InvocationHandler

的

invoke

方法：

class SecurityProxyInvocationHandler implements InvocationHandler { private Object proxyedObject; public SecurityProxyInvocationHandler(Object o) { proxyedObject = o; } public Object invoke(Object object, Method method, Object[] arguments) throws Throwable { if (object instanceof Account && method.getName().equals("opertaion")) { SecurityChecker.checkSecurity(); } return method.invoke(proxyedObject, arguments); } }

最后，在应用程序中指定

InvocationHandler

生成代理对象：

public static void main(String[] args) { Account account = (Account) Proxy.newProxyInstance( Account.class.getClassLoader(), new Class[] { Account.class }, new SecurityProxyInvocationHandler(new AccountImpl()) ); account.function(); }

其不足之处在于：

Proxy 是面向接口的，所有使用 Proxy 的对象都必须定义一个接口，而且用这些对象的代码也必须是对接口编程的：Proxy 生成的对象是接口一致的而不是对象一致的：例子中

Proxy.newProxyInstance

生成的是实现

Account

接口的对象而不是

AccountImpl

的子类。这对于软件架构设计，尤其对于既有软件系统是有一定掣肘的。
Proxy 毕竟是通过反射实现的，必须在效率上付出代价：有实验数据表明，调用反射比一般的函数开销至少要大 10 倍。而且，从程序实现上可以看出，对 proxy class 的所有方法调用都要通过使用反射的 invoke 方法。因此，对于性能关键的应用，使用 proxy class 是需要精心考虑的，以避免反射成为整个应用的瓶颈。

ASM 能够通过改造既有类，直接生成需要的代码。增强的代码是硬编码在新生成的类文件内部的，没有反射带来性能上的付出。同时，ASM 与 Proxy 编程不同，不需要为增强代码而新定义一个接口，生成的代码可以覆盖原来的类，或者是原始类的子类。它是一个普通的 Java 类而不是 proxy 类，甚至可以在应用程序的类框架中拥有自己的位置，派生自己的子类。
相比于其他流行的 Java 字节码操纵工具，ASM 更小更快。ASM 具有类似于 BCEL 或者 SERP 的功能，而只有 33k 大小，而后者分别有 350k 和 150k。同时，同样类转换的负载，如果 ASM 是 60% 的话，BCEL 需要 700%，而 SERP 需要 1100% 或者更多。
ASM 已经被广泛应用于一系列 Java 项目：AspectWerkz、AspectJ、BEA WebLogic、IBM AUS、OracleBerkleyDB、Oracle TopLink、Terracotta、RIFE、EclipseME、Proactive、Speedo、Fractal、EasyBeans、BeanShell、Groovy、Jamaica、CGLIB、dynaop、Cobertura、JDBCPersistence、JiP、SonarJ、Substance L&F、Retrotranslator 等。Hibernate 和 Spring 也通过 cglib，另一个更高层一些的自动代码生成工具使用了 ASM。

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Java 类文件概述
所谓 Java 类文件，就是通常用 javac 编译器产生的 .class 文件。这些文件具有严格定义的格式。为了更好的理解 ASM，首先对 Java 类文件格式作一点简单的介绍。Java 源文件经过 javac 编译器编译之后，将会生成对应的二进制文件（如下图所示）。每个合法的 Java 类文件都具备精确的定义，而正是这种精确的定义，才使得 Java 虚拟机得以正确读取和解释所有的 Java 类文件。
图 2. ASM – Javac 流程



Java 类文件是 8 位字节的二进制流。数据项按顺序存储在 class 文件中，相邻的项之间没有间隔，这使得 class 文件变得紧凑，减少存储空间。在 Java 类文件中包含了许多大小不同的项，由于每一项的结构都有严格规定，这使得 class 文件能够从头到尾被顺利地解析。下面让我们来看一下 Java 类文件的内部结构，以便对此有个大致的认识。
例如，一个最简单的 Hello World 程序：

public class HelloWorld { public static void main(String[] args) { System.out.println("Hello world"); } }

经过 javac 编译后，得到的类文件大致是：
图 3. ASM – Java 类文件



从上图中可以看到，一个 Java 类文件大致可以归为 10 个项：

Magic：该项存放了一个 Java 类文件的魔数（magic number）和版本信息。一个 Java 类文件的前 4 个字节被称为它的魔数。每个正确的 Java 类文件都是以 0xCAFEBABE 开头的，这样保证了 Java 虚拟机能很轻松的分辨出 Java 文件和非 Java 文件。
Version：该项存放了 Java 类文件的版本信息，它对于一个 Java 文件具有重要的意义。因为 Java 技术一直在发展，所以类文件的格式也处在不断变化之中。类文件的版本信息让虚拟机知道如何去读取并处理该类文件。
Constant Pool：该项存放了类中各种文字字符串、类名、方法名和接口名称、final 变量以及对外部类的引用信息等常量。虚拟机必须为每一个被装载的类维护一个常量池，常量池中存储了相应类型所用到的所有类型、字段和方法的符号引用，因此它在 Java 的动态链接中起到了核心的作用。常量池的大小平均占到了整个类大小的 60% 左右。
Access_flag：该项指明了该文件中定义的是类还是接口（一个 class 文件中只能有一个类或接口），同时还指名了类或接口的访问标志，如 public，private, abstract 等信息。
This Class：指向表示该类全限定名称的字符串常量的指针。
Super Class：指向表示父类全限定名称的字符串常量的指针。
Interfaces：一个指针数组，存放了该类或父类实现的所有接口名称的字符串常量的指针。以上三项所指向的常量，特别是前两项，在我们用 ASM 从已有类派生新类时一般需要修改：将类名称改为子类名称；将父类改为派生前的类名称；如果有必要，增加新的实现接口。
Fields：该项对类或接口中声明的字段进行了细致的描述。需要注意的是，fields 列表中仅列出了本类或接口中的字段，并不包括从超类和父接口继承而来的字段。
Methods：该项对类或接口中声明的方法进行了细致的描述。例如方法的名称、参数和返回值类型等。需要注意的是，methods 列表里仅存放了本类或本接口中的方法，并不包括从超类和父接口继承而来的方法。使用 ASM 进行 AOP 编程，通常是通过调整 Method 中的指令来实现的。
Class attributes：该项存放了在该文件中类或接口所定义的属性的基本信息。

事实上，使用 ASM 动态生成类，不需要像早年的 class hacker 一样，熟知 class 文件的每一段，以及它们的功能、长度、偏移量以及编码方式。ASM 会给我们照顾好这一切的，我们只要告诉 ASM 要改动什么就可以了 —— 当然，我们首先得知道要改什么：对类文件格式了解的越多，我们就能更好地使用 ASM 这个利器。