从底层入手，解析字节码增强和Btrace应用

这篇文章聊下字节码和相关的应用。

1、机器码和字节码

机器码(machine code)，学名机器语言指令，有时也被称为原生码（Native Code），是电脑的CPU可直接解读的数据。

通常意义上来理解的话，机器码就是计算机可以直接执行，并且执行速度最快的代码。

用机器语言编写程序，编程人员要首先熟记所用计算机的全部指令代码和代码的涵义。手编程序时，程序员得自己处理每条指令和每一数据的存储分配和输入输出，还得记住编程过程中每步所使用的工作单元处在何种状态。这是一件十分繁琐的工作，编写程序花费的时间往往是实际运行时间的几十倍或几百倍。而且，编出的程序全是些0和1的指令代码，直观性差，还容易出错。

字节码（Bytecode）是一种包含执行程序、由一序列 op 代码/数据对组成的二进制文件。字节码是一种中间码，它比机器码更抽象，需要直译器转译后才能成为机器码的中间代码。

通常情况下它是已经经过编译，但与特定机器码无关。字节码通常不像源码一样可以让人阅读，而是编码后的数值常量、引用、指令等构成的序列。

字节码主要为了实现特定软件运行和软件环境、与硬件环境无关。字节码的实现方式是通过编译器和虚拟机器。编译器将源码编译成字节码，特定平台上的虚拟机器将字节码转译为可以直接执行的指令。

字节码的典型应用为Java bytecode。字节码在运行时通过JVM（JAVA虚拟机）做一次转换生成机器指令，因此能够更好的跨平台运行。

2、字节码增强技术

Java字节码增强指的是在Java字节码生成之后，对其进行修改，增强其功能，这种方式相当于对应用程序的二进制文件进行修改。Java字节码增强主要是为了减少冗余代码，提高性能等。

实现字节码增强的主要步骤为：

(1)修改字节码

在内存中获取到原来的字节码，然后通过一些工具（如 ASM，Javaasist）来修改它的byte[]数组，得到一个新的byte数组。

(2)使修改后的字节码生效

有两种方法：

自定义ClassLoader来加载修改后的字节码；
替换掉原来的字节码：在JVM加载用户的Class时，拦截，返回修改后的字节码；或者在运行时，使用Instrumentation.redefineClasses方法来替换掉原来的字节码；

3、字节码增强有哪些实现

字节码增强技术有以下这些：

动态代理
CGLIB
Javassist
asm

以 ASM 为例，使用它可以动态修改类、方法，甚至可以重新定义类，连 CGLib 底层都是用 ASM 实现的。

4、Btrace原理和应用

BTrace是SUN Kenai云计算开发平台下的一个开源项目，旨在为java提供安全可靠的动态跟踪分析工具。

那么，BTrace这么神奇的功能是如何实现的呢？既然这是个开源的代码，那么直接从代码找原理。BTrace代码开源在https://github.com/btraceio/btrace。

BTrace是基于动态字节码修改技术(Hotswap)来实现运行时java程序的跟踪和替换。大体的原理可以用下面的公式描述：

Client(Java compile api + attach api) + Agent（脚本解析引擎 + ASM + JDK6 Instumentation） + Socket

BTrace工作时序图如下：

BTrace就是使用ASM修改当前类，附加调试信息，得到新的类，一般情况下，Class文件是通过javac编译器产生的，然后通过类加载器加载到虚拟机内，再通过执行引擎去执行。现在可以通过ASM的API直接生成符合Java虚拟机规范的Class字节流，这样，ASM做的事情一定程度上正是javac解释器做的工作。

5、总结

字节码增强技术可以动态地对运行中的程序做修改，也可以跟踪JVM运行中程序的状态。此外，我们平时使用的动态代理、AOP也与字节码增强密切相关，它们实质上还是利用各种手段生成符合规范的字节码文件。

掌握字节码增强后可以高效地定位并快速修复一些棘手的问题（如线上性能问题、方法出现不可控的出入参需要紧急加日志等问题），也可以在开发中减少冗余代码，大大提高开发效率。