Что такое байт код в java
Перейти к содержимому

Что такое байт код в java

  • автор:

Как прочитать байткод?

Байткод – аналог машинного кода для JVM. Он получается в результате компиляции исходного .java файла и хранится в .class файле. Анализ байткода иногда может помочь в исследовании бага, или лучше настроить производительность. Он необходим для отладки с инструментами динамической манипуляции байткодом, вроде ASM или BCEL.

Это бинарный код, и открыть его простым текстовым редактором не выйдет. В пакете утилит JDK доступен инструмент javap . Это утилита командной строки для чтения .class файлов.

Аргументами передается полное имя класса, и classpath в котором этот класс искать. По умолчанию отображаются только объявления публичных членов. Ключ -p добавит приватные методы и поля; -v выведет дополнительные метаданные; -c отобразит сам байткод – скомпилированную реализацию методов.

Для более детального изучения синтаксиса рекомендуется статья на хабре.

Как объяснить, что такое байткод? [закрыт]

Закрыт. На этот вопрос невозможно дать объективный ответ. Ответы на него в данный момент не принимаются.

Хотите улучшить этот вопрос? Переформулируйте вопрос так, чтобы на него можно было дать ответ, основанный на фактах и цитатах.

Закрыт 3 года назад .

Пытался объяснить начинающим инженерам, что такое байткод (в рамках пояснения принципов выполнения Java программ). Так вот, я пытаюсь стандартно объяснить, мол это что то между компиляцией и интерпретацией, типа каждая команда джавовского байт кода, это как несколько ассемблеровских комманд, но они смотрят на меня и говорят — не понятноооо! Они не программисты, не знают что такое ни компиляция, ни интерпретация, ни ассемблер, это я попытался на пальцах им объяснить, и вроде до них что-то дошло, а как можно на пальцах используя жизненные примеры объяснит принцип работы байткода?

Отслеживать
23.4k 3 3 золотых знака 50 50 серебряных знаков 70 70 бронзовых знаков
задан 18 мая 2013 в 20:37
vanyamelikov vanyamelikov
3,113 3 3 золотых знака 30 30 серебряных знаков 59 59 бронзовых знаков
Если они не программисты, то им это не нужно. Не тратьте время.
18 мая 2013 в 20:44
18 мая 2013 в 20:45

Я сам не программист(по образованию), сейчас стоит вопрос проведения расчета охлаждения камеры сгорания ракетного двигателя. Так вот я хочу дать троим студентам эту задачу, на трех разных языках, и посмотреть у кого лучше получиться. Языки: java-среда эклипс, Си++ — Visual Studio и Visual Basic да еще и 6. Сам я его накидал в MathCAD и MathLab. Думаю должен получиться хороший эксперимент!

18 мая 2013 в 20:51

Извините за прямоту — но складывается ощушение, будто отвечающие, сами до конца не понимают, кроме @KoVadim что такое байт код. Не надо мразу минусовать! Вдумайтесь в вопросе было, что необходимо обяснить байт код, при условии понимания небольшого понятий компиляции и интерпретации! А у многих определения можно отнести как к первому, так ко второму и третьему!

19 мая 2013 в 6:05

Хотел было уже написать, но заглянул в Википедию и понял, что ничего добавить не смогу. @vanyamelikov, а Ваши коллеги эту статью читали?

19 мая 2013 в 19:50

7 ответов 7

Сортировка: Сброс на вариант по умолчанию

А нужно объяснять очень просто. Используя их положение. Для начала показываем этим инженерам программу на Java. Например, классический HelloWorld. И спрашиваем — понятно ли? Скорее всего они скажут нет. Объясняем, что и специальной программе, которая исполняет жава код, тоже не понятно. Для этого нужно «разобрать по косточкам».

Теперь делаем «псевдотрасляцию» — как для машинистки (секретарши). Для HelloWorld’а она будет такая.

  • настроить окружение (в коде этого нет, но это автоматом) — приготовить бумагу, проверить катриджи.
  • взять из памяти строку «привет мир».
  • нижимая кнопки, побуквенно ввести сроку (здесь появился цикл:) ).
  • почистить все за собой и отнести бумагу заказчику.

Формально — это и есть простой байткод. Только это человеческий байткод. А если в нем стандартизировать все операции и занумеровать, то все может быть сведено к набору чисел. Теперь к реальному байткоду перейти просто.

Легко будет объяснить и переносимость. Если человек (секретарша) выучит все коды операций, то она сможет выполнить любую работу, главное, что бы была последовательность кодов. А инженеры могут попробовать спаять-сконструировать устройство, которое будет это исполнять.

Введение

Байт-код Java — это промежуточное представление Java-кода, которое выполняется виртуальной машиной Java (JVM). При компиляции Java-программы компилятор Java ( javac ) преобразует ее в байт-код, представляющий собой набор инструкций, которые JVM может понять и выполнить. Этот байт-код является платформонезависимым, то есть одна и та же Java-программа может выполняться на различных устройствах и в различных операционных системах, следуя принципу “пиши один раз, выполняй везде” (WORA).

Особенности байт-кода Java

Байт-код Java является важнейшим элементом в сфере программирования на Java. Он служит связующим звеном между высокоуровневым Java-кодом и низкоуровневыми операциями, выполняемыми в виртуальной машине Java (JVM). Рассмотрим подробно, что такое байт-код Java, как он устроен и зачем необходим Java-программам.

Что такое байт-код Java?

Байт-код Java — это продукт процесса компиляции исходного Java-кода. Когда вы пишете Java-программу и компилируете ее, компилятор Java ( javac ) не преобразует код непосредственно в машинный. Вместо этого он переводит его в промежуточную форму, называемую байт-кодом. Этот байт-код представляет собой набор инструкций, которые не являются человекочитаемыми, как Java-код, но менее сложны, чем машинный код.

Структура байт-кода

Длина каждой инструкции в байт-коде Java равна одному байту (откуда и происхождение термина “байт-код”). Однако за некоторыми инструкциями следуют дополнительные байты, представляющие собой операнды для инструкций. Инструкции байт-кода, разработанные для компактности и эффективности, работают на основе стековой архитектуры. В этом их отличие от большинства физических архитектур процессоров, основанных на регистрах.

Вот более подробный обзор структуры байт-кода.

  • Опкод. Первый байт каждой инструкции называется опкодом. Этот байт указывает на операцию, которую необходимо выполнить.
  • Операнды. За некоторыми инструкциями следует один или несколько байтов, которые выступают в качестве операндов. Этими операндами могут быть индексы, константы или ссылки, с которыми работает инструкция.

Байт-код и Java-стек

Байт-код Java работает на основе стековой архитектуры. Это означает, что большинство операций байт-кода связано с занесением элементов в стек или их извлечением из стека. Например, арифметическая операция, такая как сложение, в байт-коде проходит следующим образом: два верхних элемента выгружаются из стека, складываются, а затем результат загружается обратно в стек.

Пример с разбором байт-кода

Вернемся к предыдущему примеру и посмотрим, как Java-код переводится в байт-код:

int a = 5;
int b = 10;
int sum = a + b;

При компиляции эти строки Java-кода преобразуются в серию инструкций байт-кода, которые при просмотре с помощью такого инструмента, как javap , могут выглядеть следующим образом:

0: iconst_5
1: istore_1
2: bipush 10
4: istore_2
5: iload_1
6: iload_2
7: iadd
8: istore_3

Вот что происходит на каждом шаге.

  1. iconst_5 : целое значение 5 помещается в стек.
  2. istore_1 : верхнее целое число (5) из стека резервируется в первой локальной переменной (a).
  3. bipush 10 : байтовое значение 10 помещается в стек.
  4. istore_2 : верхнее целое число (10) из стека резервируется во второй локальной переменной (b).
  5. iload_1 и iload_2 : целые числа a и b загружаются в стек.
  6. iadd : два верхних целых числа выгружаются из стека, складываются и результат (сумма) загружается обратно в стек.
  7. istore_3 : результат из стека резервируется в третьей локальной переменной (сумма).

Значение байт-кода

Использование байт-кода является одной из ключевых особенностей, обеспечивающих кроссплатформенность Java. Поскольку байт-код является стандартным, платформонезависимым форматом, Java-программы могут выполняться на любом устройстве, оснащенном виртуальной машиной Java, которая понимает, как интерпретировать байт-код. Такая конструкция позволяет справиться со сложностями, связанными с различными архитектурами машин, что дает возможность разработчикам Java писать код по принципу WORA.

Роль виртуальной машины Java в разработке программ

Виртуальная машина Java (JVM) является краеугольным камнем платформонезависимых возможностей Java. Роль виртуальной машины Java выходит далеко за рамки простого выполнения Java-программ. Понимание работы JVM необходимо разработчикам Java, так как она влияет на запуск, оптимизацию и отладку Java-приложений.

Что такое JVM?

JVM — это абстрактная вычислительная машина, являющаяся составной частью среды выполнения Java (JRE). В отличие от физической машины, которая непосредственно выполняет машинный код, JVM интерпретирует и исполняет байт-код Java. Такая конструкция позволяет запускать Java-приложения на любом устройстве или операционной системе, где есть реализация JVM, что соответствует принципу WORA.

Основные функции JVM

JVM выполняет несколько важнейших функций при работе с Java-программой.

  • Загрузка байт-кода. JVM загружает скомпилированный байт-код Java из файлов .class . Процесс загрузки также включает проверку формата байт-кода и определение его структурной целостности.
  • Верификация байт-кода. Перед выполнением байт-код верифицируется на соответствие стандартам безопасности Java. На этом этапе проверяется наличие опасного кода, который может нарушить права доступа и нанести потенциальный вред системе.
  • Выполнение. JVM выполняет байт-код. JVM может интерпретировать байт-код напрямую, преобразуя каждую инструкцию в машинный код по мере выполнения программы. В качестве альтернативы в современных реализациях JVM используется компиляция JIT (Just-In-Time — точно в срок), при которой байт-код компилируется в “родной” машинный код для повышения производительности.
  • Управление памятью. JVM управляет выделением памяти для объектов и массивов Java. Виртуальная машина Java также заботится о сборке мусора, автоматически освобождая память, которая больше не используется.
  • Предоставление среды выполнения. JVM предоставляет среду выполнения, включающую библиотеки и API, необходимые для работы Java-приложений. JVM также предоставляет среду выполнения, которая решает такие задачи, как организация потоков, синхронизация и управление ресурсами.

Виртуальная машина Java и экосистема Java

JVM — это не просто отдельная структура, а часть более крупной экосистемы Java. Эта экосистема включает:

  • Java Development Kit (JDK) — набор инструментов для разработки Java-приложений.
  • Java Runtime Environment (JRE) — среду выполнения и запуска Java-приложений. Сердцем JRE является JVM.

Различные реализации JVM

Существуют различные реализации JVM, каждая из которых обладает своими особенностями и оптимизациями. К ним относятся:

  • HotSpot от Oracle — широко используемая JVM, отличающаяся своей высокой производительностью и возможностями мониторинга.
  • OpenJ9 — проект Eclipse, известный малым объемом памяти и быстрым временем запуска.
  • GraalVM — высокопроизводительная JVM, поддерживающая дополнительные языки, такие как JavaScript, Ruby и Python.

Эволюционирование JVM

За последние годы JVM претерпела значительные изменения. Современные JVM отличаются высокой степенью сложности и обладают расширенными возможностями для оптимизации производительности, такими как:

  • адаптивная оптимизация;
  • компиляторы, работающие по принципу JIT;
  • сборщики мусора, настроенные на различные типы приложений и рабочих нагрузок.

Благодаря этим усовершенствованиям, Java-приложения становятся быстрее и эффективнее, не требуя внесения изменений в код приложения.

Манипулирование байт-кодом

Манипулирование байт-кодом Java — это продвинутая техника, имеющая существенное значение для разработки на Java, в частности, для оптимизации производительности, анализа программ и расширения возможностей языка. Она позволяет разработчикам изменять поведение скомпилированных Java-программ на более глубоком уровне, чем исходный код.

Что такое манипулирование байт-кодом?

Под манипулированием байт-кодом понимается процесс изменения или расширения байт-кода Java-программы после ее компиляции. Этот процесс может включать добавление, изменение или удаление инструкций из байт-кода. Такие манипуляции позволяют изменить поведение программы, добавить новые возможности или оптимизировать производительность без модификации исходного кода.

Инструменты и библиотеки для манипулирования байт-кодом

Для манипулирования байт-кодом в Java разработано несколько инструментов и библиотек.

  • ASM. Низкоуровневый фреймворк для манипулирования и анализа байт-кода. ASM обеспечивает прямое манипулирование байт-кодом, предоставляя средства для анализа, создания и модификации скомпилированных классов Java.
  • Javassist. Высокоуровневая библиотека манипулирования байт-кодом, позволяющая разработчикам работать с байт-кодом с помощью более простого API по сравнению с ASM. Она особенно полезна для динамической модификации классов во время выполнения программы.
  • Byte Buddy. Относительно новая библиотека для создания и модификации Java-классов во время выполнения Java-приложения. Она сочетает в себе простоту использования и широкие возможности, позволяя разработчикам перехватывать вызовы методов, создавать прокси-классы и т. д.

Примеры использования манипуляций с байт-кодом

Манипулирование байт-кодом используется в различных сценариях.

  • Оптимизация производительности. Средства профилирования и оптимизаторы производительности часто модифицируют байт-код для внедрения кода мониторинга или оптимизации “горячих” путей кода.
  • Тестирование и отладка. Инструменты могут динамически вставлять средства логирования и отладки во время выполнения программы без внесения изменений в исходный код.
  • Аспектно-ориентированное программирование (АОП). Такие фреймворки, как Spring, используют манипуляции с байт-кодом для реализации сквозных задач — логирования, управления транзакциями и проверки безопасности.
  • Генерация кода во время выполнения. Библиотеки могут генерировать новые классы во время выполнения программы на основе динамических условий, что повышает гибкость и сокращает количество шаблонного кода.

Пример добавления логирования в метод

В качестве иллюстрации рассмотрим добавление логирования в метод. Не изменяя исходного кода, можно использовать библиотеку манипулирования байт-кодом для вставки логирования до и после вызова метода. Обычно этот процесс включает:

  • загрузку байт-кода целевого класса;
  • определение метода, в который необходимо добавить логирование;
  • вставку инструкций байт-кода для выполнения операторов логирования;
  • сохранение модифицированного байт-кода обратно в файл класса или загрузку его непосредственно в JVM.

Риски и ограничения

Манипулирование байт-кодом открывает широкие возможности, однако оно также связано с определенными рисками и ограничениями. Вот основные из них:

  • Сложность. Манипулирование байт-кодом чревато ошибками и более сложно, чем работа с исходным кодом Java.
  • Поддержка. Изменения, внесенные на уровне байт-кода, трудно отслеживать и поддерживать, особенно тем, кто не знаком со структурой байт-кода.
  • Совместимость. Изменения байт-кода могут привести к нарушению совместимости с будущими версиями платформы Java, если это не будет сделано аккуратно.

Заключение

Байт-код Java — это мощный аспект языка программирования Java, обеспечивающий независимость от платформы и позволяющий использовать такие передовые технологии, как манипулирование во время выполнения. Понимание байт-кода и роли JVM необходимо всем Java-разработчикам, особенно тем, кто хочет глубже погрузиться во внутренние аспекты языка и его исполнения.

  • Java и базы данных NoSQL: практическое руководство
  • Обнаружение и предотвращение утечек памяти в Java
  • 23 шаблона проектирования для 99% разработчиков на Java

Читайте нас в Telegram, VK и Дзен

Байт-код Java

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 июня 2021 года; проверки требуют 3 правки.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 июня 2021 года; проверки требуют 3 правки.

Байт-код Java — набор инструкций, исполняемых виртуальной машиной Java. Каждый код операции байт-кода — один байт; используются не все 256 возможных значений кодов операций, 51 из них зарезервирован для использования в будущем.

Для программирования на языке Java или других JVM-совместимых языках знание особенностей байт-кода не обязательно, тем не менее, «понимание байт-кода и понимание механизмов его генерации компилятором Java помогает Java-программисту так же, как и знание языка ассемблера помогает программисту, пишущему на Си или C++» [1] [2] .

Инструкции [ править | править код ]

Код CA16 зарезервирован для использования отладчиком и не используется языком, как и коды FE16 и FF16, которые зарезервированы для использования виртуальной машиной и отладчиками. Коды в диапазоне CB16—FD16 в текущей версии JVM не используются и зарезервированы для будущих дополнений.

Инструкции можно разделить на несколько групп:

  • загрузка и сохранение (например, ALOAD_0, ISTORE),
  • арифметические и логические операции (например, IADD, FCMPL),
  • преобразование типов (например, I2B, D2I),
  • создание и преобразование объекта (например, NEW, PUTFIELD),
  • управление стеком (например, DUP, POP),
  • операторы перехода (например, GOTO, IFEQ),
  • вызовы методов и возврат (например, INVOKESTATIC, IRETURN).

Также есть несколько инструкций, выполняющих специфические задачи, такие как выбрасывание исключений, синхронизация и так далее.

Многие инструкции имеют префиксы или суффиксы, соответствующие их операндам:

Префикс или суффикс Тип операнда
I integer
L long
S short
B byte
C character
F float
D double
A reference

Например, операция IADD — сложение двух целых чисел, в то время как FADD — сложение чисел с плавающей точкой.

Пример [ править | править код ]

outer: for (int i = 2; i  1000; i++)  for (int j = 2; j  i; j++)  if (i % j == 0) continue outer; > System.out.println (i); > 

компилятор может транслировать в следующий байт-код:

0: iconst_2 1: istore_1 2: iload_1 3: sipush 1000 6: if_icmpge 44 9: iconst_2 10: istore_2 11: iload_2 12: iload_1 13: if_icmpge 31 16: iload_1 17: iload_2 18: irem 19: ifne 25 22: goto 38 25: iinc 2, 1 28: goto 11 31: getstatic #84; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 34: iload_1 35: invokevirtual #85; //Method java/io/PrintStream.println:(I)V 38: iinc 1, 1 41: goto 2 44: return 

Генерация [ править | править код ]

Основная статья: Список языков JVM

В большинстве случаев байт-код Java генерируется для исполнения на виртуальной машине Java из исходного кода на языке Java. Единственный оригинальный компилятор, преобразующий код на языке Java в байт-код Java — это Javac, созданный компанией Sun Microsystems. Но поскольку все спецификации байт-кода Java доступны, существуют и сторонние компиляторы, генерирующие этот байт-код. Примеры таких компиляторов:

  • Jikes — компилирует код на Java в Java-байт-код (разработан IBM, написан на C++),
  • Espresso — компилирует код на Java в Java-байт-код (для версии Java 1.0),
  • GCJ (GNU Compiler for Java) — компилирует код на Java в Java-байт-код, также способен компилировать в нативный машинный код, является частью GNU Compiler Collection.

Для некоторых проектов существуют компиляторы, позволяющие генерировать байт-код для JVM из исходного кода на другом языке программирования, среди таких проектов:

  • ColdFusion,
  • JRuby и Jython (для Ruby и Python соответственно),
  • Groovy (скриптовый язык, основанный на Java),
  • Scala,
  • Kotlin,
  • JGNAT и AppletMagic,
  • компиляторы с языка Си в Java-байт-код,
  • Clojure,
  • MIDletPascal,
  • JavaFX Script.

Большинство существующих инструкций JVM имеет статическую типизацию: сигнатуры методов в местах их вызова проверяются во время компиляции, но механизм переноса этой проверки на время выполнения отсутствует [3] . Тем не менее, для JVM реализованы ряд языков с динамической типизацией.

Примечания [ править | править код ]

  1. ↑ Peter Haggar, Wayback Machine // IBM DeveloperWorks, 01 Jul 2001
  2. ↑A Formal Introduction to the Compilation of Java, Stephan Diehl, «Software — Practice and Experience», Vol. 28(3), pages 297—327, March 1998.(неопр.)Дата обращения: 25 апреля 2013.Nutter, Charles(неопр.) (3 января 2007). Дата обращения: 25 января 2008.См. также [ править | править код ]

Ссылки [ править | править код ]

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *