• 第1章深入剖析 class 文件結構 1

1.1初探 class 文件  1

1.2class 文件結構剖析  3

1.2.1魔數  4

1.2.2版本號  6

1.2.3常量池  7

1.2.4Access flags  18

1.2.5this_class、super_name、interfaces  19

1.2.6字段表  20

1.2.7方法表  23

1.2.8屬性表  25

1.3使用 javap 查看類文件  30

1.4小結  32

• 第2章字節碼基礎 33

2.1字節碼概述  33

2.2 Java 虛擬機棧和棧幀  34

2.3字節碼指令  41

2.3.1加載和存儲指令  41

2.3.2操作數棧指令  42

2.3.3運算和類型轉換指令  45

2.3.4控制轉移指令  46

2.3.5for語句的字節碼原理  48

2.3.6switch-case底層實現原理  54

2.3.7String的switch-case實現的字節碼原理  55

2.3.8 i和i 的字節碼原理  60

2.3.9try-catch-finally的字節碼原理  63

2.3.10try-with-resources 的字節碼原理  71

2.3.11對像相關的字節碼指令  74

2.4小結  77

• 第3章字節碼進階 78

3.1方法調用指令  78

3.1.1invokestatic指令  79

3.1.2invokevirtual指令  79

3.1.3invokespecial指令  80

3.1.4invokeinterface指令  80

3.1.5invokedynamic指令  90

3.2Lambda 表達式的原理  95

3.3泛型與字節碼  100

3.4synchronized 的實現原理  102

3.5反射的實現原理  106

3.5.1反射方法源碼分析  107

3.5.2反射的inflation機制  109

3.6小結  110

• 第4章javac 編譯原理簡介 111

4.1javac 源碼調試  112

4.2javac 的七個階段  114

4.2.1parse階段  115

4.2.2enter階段  116

4.2.3process階段  118

4.2.4attr階段  118

4.2.5flow階段  121

4.2.6desugar階段  122

4.2.7generate階段  126

4.3小結  129

• 第5章從字節碼角度看 Kotlin語言 130

5.1Metadata 注解  130

5.2頂層方法  132

5.3object 單例  133

5.4擴展方法  134

5.5接口默認方法  135

5.6默認參數  137

5.7高級 for 循環  140

5.8data class  142

5.9多返回值  143

5.10協程的實現原理  144

5.10.1CPS 介紹  145

5.10.2suspend 關鍵字  146

5.11從字節碼分析 Kotlin 編譯器的bug  149

5.12小結  153

• 第6章ASM 和 Javassist 字節碼操作工具 154

6.1ASM 介紹  154

6.1.1ASM Core API核心類  156

6.1.2ASM操作字節碼示例  158

6.2Javassist 介紹  169

6.2.1Javassist核心API  169

6.2.2Javassist操作字節碼示例  170

6.3小結  174

• 第7章Java Instrumentation 原理 175

7.1Java Instrumentation 簡介  175

7.2Instrumentation 與 -javaagent啟動參數  176

7.3JVM Attach API 介紹  180

7.3.1JVM Attach API基本使用  181

7.3.2JVM Attach API的底層原理  183

7.4小結  190

• 第8章JSR 269 插件化注解處理原理 191

8.1JSR 269 簡介  191

8.2抽像語法樹操作 API  193

8.2.1Names介紹  193

8.2.2JCTree介紹  193

8.2.3TreeMaker介紹  198

8.2.4自定義注解處理實戰  202

8.3JSR 269 在常用框架上的應用  207

8.3.1案例一：ButterKnife  207

8.3.2案例二：Lombok  209

8.4小結  212

• 第9章字節碼的應用 213

9.1cglib 動態代理原理分析  213

9.1.1cglib核心API介紹  214

9.1.2cglib原理分析  216

9.2字節碼在 Fastjson 上的應用  218

9.3字節碼在 Dubbo 上的應用  221

9.4字節碼在 JaCoCo 代碼覆蓋率上的應用  222

9.5字節碼在 Mock 上的應用  225

9.6小結  227

• 第10章軟件破解和防破解 228

10.1反編譯  228

10.2軟件破解  229

10.2.1破解方式一：直接修改class文件  230

10.2.2破解方式二：javaagent無痛破解  232

10.3軟件防破解  234

10.3.1自定義ClassLoader  234

10.3.2JNI隱藏核心邏輯  237

10.3.3基於JVMTI的加密方案  239

10.3.4混淆  245

10.4小結  250

• 第11章全鏈路分布式跟蹤與APM 251

11.1全鏈路分布式跟蹤介紹  251

11.1.1什麼是全鏈路分布式跟蹤  252

11.1.2OpenTracing基本術語  253

11.1.3分布式跟蹤的實現和上下文傳遞  254

11.2見微知著之 APM  260

11.2.1APM基本概念  260

11.2.2APM的字節碼注入實現  261

11.2.3其他平臺的APM實現  272

11.3小結  273

• 第12章Android字節碼與 APM 274

12.1dex 文件結構  274

12.1.1header  276

12.1.2string_ids  278

12.1.3type_ids  280

12.1.4proto_ids  281

12.1.5field_ids  282

12.1.6method_ids  283

12.1.7class_defs  284

12.1.8data  288

12.1.9link_data  288

12.2Android字節碼  288

12.2.1Android字節碼概述  288

12.2.2常見的字節碼指令介紹  289

12.3Gradle 插件編寫  295

12.3.1自定義Gradle插件  295

12.3.2獨立的 Gradle 插件項目  296

12.4Android字節碼注入原理  297

12.4.1Transform API介紹  297

12.4.2字節碼注入代碼實現  299

12.5小結  301

【為什麼要寫這本書】

大約四五年前，秉承“代碼未動、監控先行”的理念，我開始在公司的平臺部門做服務質量監控平臺。開始是使用人工埋點的方式來進行監控信息的上報，業務方的接入成本非常高，上線前需要花半天到一天的時間來進行埋點，苦不堪言。

後來公司大力推行 DevOps、容器化、微服務，提高了開發和運維效率，但分布式部署架構帶來的問題也迅速顯現出來，如服務拓撲不清、服務依賴關繫復雜、日志散落在各個微服務中，等等。在出現問題時，開發人員不知道如何排查，無法快速定位問題。後來我了解到 javaagent ASM 這樣的技術能夠自動注入埋點的代碼，於是花了大概一個月的時間苦學字節碼、ASM 相關的知識。ASM官方的英文手冊讀了不下 5 遍，深知其中的難點。另外，APM 這一套性能監控工具需要極高的可靠性和極低的性能損耗，倒逼著我對字節碼的執行原理、高性能 Java等有了更深入的研究。

我花了大概 3 個月的時間從零到一實現了整套無侵入字節碼注入 APM 繫統，對整個後端微服務調用棧進行監控，實現了業務方零埋點、跨進程異構繫統的調用鏈路追蹤、性能問題代碼級別定位、業務拓撲實時發現、SLA 實時統計等功能。該繫統上線運行了幾年，至今未出現問題。

我平時喜歡破解一些軟件，一開始都是通過直接修改類文件的方式來進行的，比較煩瑣。掌握了 javaagent、ASM、JVMTI 這些工具以後，對軟件破解有了更深入的研究。

後來從平臺部門去業務部門帶領更大的團隊，很早期的時候就引入了 Kotlin 來進行後端開發。為了避免基礎較差的同事誤解語法糖的意思，我對 Kotlin 中很多語法背後的實現做了詳細的分析，讓他們在使用的時候更加清楚語法糖的實現原理。

一路走來，覺得越底層的知識越有價值，所以想寫一本這樣的書，讓更多的人能夠對 JVM 字節碼底層的細節多一些了解，在遇到問題時能自己分析、獨立判斷。

【讀者對像】

希望你可以通過閱讀本書知其然並知其所以然，理解炫酷語法和高級框架背後的實現原理，實現各種 JVM“黑科技”，真正搞懂反射、Lambda 表達式、AOP、熱加載、軟件破解等的實現細節。

【本書適合以下讀者閱讀】

對 Java 有初步了解，想深入學習其內部運行細節的讀者；

通過學習字節碼改寫技術實現高性能框架的讀者；

對 APM 感興趣，想了解 APM 實現原理的讀者，以及準備搭建 APM 繫統用來做分布式繫統調用鏈跟蹤的讀者；

想學習 Java 軟件常見的破解和防破解方法，提高軟件逆向和破解水平的讀者。

【如何閱讀這本書】

本書一共 12 章，從邏輯上主要分為字節碼原理篇和應用篇兩大部分。

• 第 1 章詳細剖析了 class 文件的內部結構，幫助讀者理解本書後面介紹的字節碼原理。


• 第 2 章首先介紹了什麼是字節碼，接下來介紹了 Java 虛擬機棧和棧幀的相關內容，然後通過 for 循環、switch-case、try-catch-finally 等語法講解了字節碼指令的用法。


• 第 3 章介紹了字節碼的進階知識，主要目的是讓讀者掌握方法調用指令、泛型擦除、synchronized 關鍵字、反射的底層實現原理。


• 第 4 章介紹了javac 編譯器的原理。編譯原理是計算機科學皇冠上的明珠，隻有弄懂了 javac 纔能更好地理解字節碼的生成原理。本章一開始介紹了 javac 源碼的調試方法，隨後詳細介紹了 javac 編譯的七大階段和各階段的作用。


• 第 5 章從字節碼角度看 Kotlin 語言，介紹了常見語法糖和協程等的原理，希望讀者在學習其他 JVM 繫語言時可以舉一反三，使用類似的思路。


• 第 6 章介紹了 ASM 和 Javassist 兩個字節碼操作工具。這兩個工具非常重要，被廣泛用於中間件框架中，後面關於APM、軟件破解的章節都涉及這兩個工具的使用。


• 第 7 章介紹了 Java Instrumentation 的原理，分兩種方式講解了如何使用 Instrumentation，後介紹了 Attach API 的底層 UNIX 域套接字的通信原理。


• 第 8 章介紹了 JSR 269 插件化注解處理的原理，希望讀者可以通過本章掌握編譯期間生成、修改代碼的方法，理解 Lombok、ButterKnife 工具的實現原理。


• 第 9 章主要介紹了字節碼在 cglib、Fastjson、Dubbo、JaCoCo、Mock 這些框架上的應用，可以讓讀者接觸到更多字節碼的使用場景。


• 第 10 章主要介紹了反編譯、破解、防破解和逆向工程的相關內容。了解常見的破解和逆向方法能更好地保護自己的軟件產品。


• 第 11 章介紹了 APM 的概況、分布式跟蹤的基本原理、OpenTracing 的基本概念和無埋點字節碼插樁的代碼實現。如果對 APM 有興趣，可以將本章作為入門指導，實現自己的 APM 產品。


• 第 12 章詳細介紹了Android dex 文件的組成結構，以及Android字節碼指令與 Java 字節碼指令的區別，後介紹了 Gradle 字節碼改寫實現無侵入插樁的方法。

★《大學》開篇就提到“格物致知”，意思是通過研究事物背後的原理來獲得知識。本書正是秉承這樣的思想，深入虛擬機、字節碼等背後深層次的結構和原理來剖析Java。這種知其然並知其所以然的研究態度和方法，是我在很多技術高手身上看到的共有特質。當你深入掌握了這些原理之後，你的代碼不管是在整體架構上，還是在開發和運行效率上，都會提升一個檔次。

—— 劉榮（電腦圈圈） CVTE 技術專家

★這本書對JVM底層知識的講解非常深入，作者在字節碼領域積累多年的經驗均融彙其中，內容深入且全面，可以幫助你拓寬在JVM方向上的視野，掌握更多字節碼的“黑科技”。

—— 錢文品（老錢） 前掌閱服務端技術專家

★很高興看到介紹字節碼的專著問世，如果你從事Java開發，無論是做業務開發還是高性能中間件開發，Java字節碼都是必須要掌握的技能。在Java領域，字節碼的應用很普遍，動態生成、修改字節碼已經在各大主流框架中落地。這本書從原理到實戰，由淺入深地引導讀者探究字節碼的方方面面，非常值得一讀。

—— 周志明 遠光軟件研究院院長/《深入理解Java虛擬機》作者

★剛認識張亞的時候，他就給我推薦了他的JVM“掘金小冊”，章節不多、篇幅不長，但是卻把JVM的底層原理，如字節碼的執行過程、反射、熱加載、javac編譯、OpenTracing等都講清楚了，循序漸進，精煉而又不失深度。這些內容經過擴充和迭代，形成了本書，強烈建議正在學習Java語言的讀者將本書作為深入理解JVM原理的書籍。

—— 趙成 蘑菇街技術總監