Java动态编程初探——Javassist

最近需要通过配置生成代码，减少重复编码和维护成本。用到了一些动态的特性，和大家分享下心得。

我们常用到的动态特性主要是反射，在运行时查找对象属性、方法，修改作用域，通过方法名称调用方法等。在线的应用不会频繁使用反射，因为反射的性能开销较大。其实还有一种和反射一样强大的特性，但是开销却很低，它就是Javassit。

Javassit其实就是一个二方包，提供了运行时操作Java字节码的方法。大家都知道，Java代码编译完会生成.class文件，就是一堆字节码。JVM(准确说是JIT)会解释执行这些字节码(转换为机器码并执行)，由于字节码的解释执行是在运行时进行的，那我们能否手工编写字节码，再由JVM执行呢？答案是肯定的，而Javassist就提供了一些方便的方法，让我们通过这些方法生成字节码。

类似字节码操作方法还有ASM。几种动态编程方法相比较，在性能上Javassist高于反射，但低于ASM，因为Javassist增加了一层抽象。在实现成本上Javassist和反射都很低，而ASM由于直接操作字节码，相比Javassist源码级别的api实现成本高很多。几个方法有自己的应用场景，比如Kryo使用的是ASM，追求性能的最大化。而NBeanCopyUtil采用的是Javassist，在对象拷贝的性能上也已经明显高于其他的库，并保持高易用性。实际项目中推荐先用Javassist实现原型，若在性能测试中发现Javassist成为了性能瓶颈，再考虑使用其他字节码操作方法做优化。

Javassist的使用很简单，首先获取到class定义的容器ClassPool，通过它获取已经编译好的类(Compile time class)，并给这个类设置一个父类，而writeFile讲这个类的定义从新写到磁盘，以便后面使用。

ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
CtClass cc = pool.get("test.Rectangle");
cc.setSuperclass(pool.get("test.Point"));
cc.writeFile();

由CtClass可以方便的获取字节码和加载字节码：

byte[] b = cc.toBytecode();
Class clazz = cc.toClass();

如果需要定义一个新类，只需要

ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
CtClass cc = pool.makeClass("Point");

同样的还可以通过CtMethod和CtField构造方法和成员甚至Annotation。

ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
CtClass cc = pool.makeClass("foo");
CtMethod mthd = CtNewMethod.make("public Integer getInteger() { return null; }", cc);
cc.addMethod(mthd);

CtField f = new CtField(CtClass.intType, "i", cc);
point.addField(f);

clazz = cc.toClass(); Object instance = class.newInstance();

Javassist不仅可以生成类、变量和方法，还可以操作现有的方法，这在AOP上非常有用，比如做方法调用的埋点

// Point.java
class Point {
    int x, y;
    void move(int dx, int dy) { x += dx; y += dy; }
}

// 对已有代码每次move执行时做埋点
ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
CtClass cc = pool.get("Point");
CtMethod m = cc.getDeclaredMethod("move");
m.insertBefore("{ System.out.println($1); System.out.println($2); }");
cc.writeFile();

其中$1和$2表示调用栈中的第一和第二个参数，写到磁盘后的class定义类似：

class Point {
    int x, y;
    void move(int dx, int dy) {
        { System.out.println(dx); System.out.println(dy); }
        x += dx; y += dy;
    }
}

在使用Javassist时遇到过一些问题。

1 因为tomcat和jboss使用的是独立的classloader，而Javassist是通过默认的classloader加载类，因此直接对tomcat context中定义的类做toClass会抛出ClassCastException异常，可以用tomcat的classloader加载字节码。

CtClass cc = ...;
Class c = cc.toClass(bean.getClass().getClassLoader());

2 发现在简单的测试中可以load的类，在tomcat中无法load。这是因为，ClassPool.getDefault()查找的路径和底层的JVM路径。而tomcat中定义了多个classloader，因此额外的class路径需要注册到ClassPool中。

pool.insertClassPath(new ClassClassPath(this.getClass()));

3 我想在运行时修改类的一个方法，但是JVM是不允许动态的reload类定义的。一旦classloader加载了一个class，在运行时就不能重新加载这个class的另一个版本，调用toClass()会抛LinkageError。因此需要绕过这种方式定义全新的class。而toClass()其实是当前thread所在的classloader加载class。

4 Javassist生成的字节码由于没有class声明，字节码创建变量及方法调用都需要通过反射。这点在在线的应用上的性能损失是不能接受的，受到NBeanCopyUtil实现的启发，可以定义一个Interface，Javassist的字节码实现这个Interface，而调用方通过这个接口调用字节码，而不是反射，这样避免了反射调用的开销。还有一点字节码new一个变量也是通过反射，因此通过代理的方法，将每个pv都需要new的字节码对象改为每次new一个代理对象，代理到常驻内存的字节码对象中，这样避免了每次反射的开销。

参考资料：

http://asm.ow2.org/

http://notatube.blogspot.com/2010/11/project-lombok-trick-explained.html

http://www.csg.ci.i.u-tokyo.ac.jp/~chiba/javassist/tutorial/tutorial.html

http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/coretech/java-dynamic.html