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ASM 是什么？

简单来说，ASM 是一个操作 Java 字节码的类库。

为了能够更好的理解 ASM 是什么，我们需要来搞清楚两个问题：

  • 第一个问题，ASM 的操作对象是什么呢？
  • 第二个问题，ASM 是如何处理字节码（ByteCode）数据的呢？

首先，我们来看第一个问题：ASM 的操作对象是什么呢？ 回答：ASM 所操作的对象是字节码（ByteCode）数据。

我们都知道，一个 .java 文件经过 Java 编译器（javac）编译之后会生成一个 .class 文件。 在 .class 文件中，存储的是字节码（ByteCode）数据，如下图所示。 ASM 所操作的对象就是字节码（ByteCode），而在许多情况下，字节码（ByteCode）的具体表现形式是 .class 文件。

From Java to Class

接着，我们来看第二个问题：ASM 是如何处理字节码（ByteCode）数据的呢？ 回答：ASM 处理字节码（ByteCode）的方式是“拆分－修改－合并”。

ASM 处理字节码（ByteCode）数据的思路是这样的：

  • 第一步，将 .class 文件拆分成多个部分；
  • 第二步，对某一个部分的信息进行修改；
  • 第三步，将多个部分重新组织成一个新的 .class 文件。

在 Wikipedia 上，对 ASM 进行了如下描述：

ASM provides a simple API for decomposing( 将一个整体拆分成多个部分 ), modifying( 修改某一部分的信息 ), and recomposing( 将多个部分重新组织成一个整体 ) binary Java classes (i.e. ByteCode).

ASM 的过去和现在

ASM 的过去

对于 ASM 的过去，主要说明三个问题：

  • 第一个问题，ASM 从什么时候开始出现的？
  • 第二个问题，ASM 的作者是谁？
  • 第三个问题，ASM 的名字有什么含义？

在2002 年的时候，Eric Bruneton、Romain Lenglet 和 Thierry Coupaye 发表了一篇文章， 名为《ASM: a code manipulation tool to implement adaptable systems》。 在这篇文章当中，他们提出了 ASM 的设计思路。

一般来说，大写字母的组合，可能是多个单词的缩写形式，例如，JVM 表示“Java Virtual Machine”。 但是，ASM 并不是多个单词的首字母缩写形式。在上面的文章中，记录了下面的话：

The ASM name does not mean anything: it is just a reference to the __asm__ keyword in C, which allows some functions to be implemented in assembly language.

ASM 的现在

对于 ASM 的现在，主要说明两个问题：

  • 第一个问题，ASM 属于哪一个机构？
  • 第二个问题，ASM 的 Logo 是什么样的？

The ASM library is a project of the OW2 Consortium. OW2 is an independent, global, open-source software community.

作为一个小故事，我们来说一下 OW2 组织是如何形成的。 OW2 组织的形成，与中国的一些大学和公司也有很大的关系（原文内容来自 这里 ）：

  • 2002 年，ObjectWeb 项目启动，它是由 INRIA、Bull 和 France Telecom 共同开发的项目，并形成了一个成熟的、开源软件社区。
  • 2004 年，Orientware 项目启动，由中国的北京大学、北航、国防科技大学、中创软件和中国科学院软件研究所共同研发。
  • 2005 年，ObjectWeb 和 Orientware 签署了一份协议，决定共享代码库，一起开发中间件软件。
  • 2006 年，ObjectWeb 和 Orientware 两个社区组织融合，形成了 OW2 组织。OW2 组织名字， 可能是由ObjectWeb 和Orientware 名称当中的两组 O 和 W 组合而来。

ASM 的 Logo 设计很有特点，它在旋转的过程中，会分别呈现出“A”、“S”和“M”这三个字母，如下图所示：

ASM Logo

ASM 的版本发展

对于 ASM 版本的发展，我们要说明两点：

  • 第一点，Java 语言在不断发展，那么，ASM 版本也要不断发展来跟得上 Java 的发展。
  • 第二点，在选择 ASM 版本的时候，要注意它支持的 Java 版本，来确保兼容性。

比如说，我们常用的 Java 版本是 8、11 和 17。

  • 针对 Java 8 版本，我们需要使用 ASM 5.0 版本，就能正常工作。
  • 针对 Java 11 版本，我们需要使用 ASM 7.0 版本，就能正常工作。
  • 针对 Java 17 版本，我们需要使用 ASM 9.1 版本，就能正常工作。

当然，我们可以尽量使用较高的 ASM 版本。

ASM Release Release Date Java Support
2.0 2005-05-17 Java 5 language support
3.2 2009-06-11 support for the new invokedynamic code.
4.0 2011-10-29 Java 7 language support
5.0 2014-03-16 Java 8 language support
6.0 2017-09-23 Java 9 language support
6.1 2018-03-11 Java 10 language support
7.0 2018-10-27 Java 11 language support
7.1 2019-03-03 Java 13 language support
8.0 2020-03-28 Java 14 language support
9.0 2020-09-22 Java 16 language support
9.1 2021-02-06 JDK 17 support
9.2 2021-06-26 JDK 18 support
9.3 2022-04-04  
9.4 2022-10-02  
9.5 2023-03-24  

ASM 能够做什么

通俗的理解

  • 父类：修改成一个新的父类
  • 接口：添加一个新的接口、删除已有的接口
  • 字段：添加一个新的字段、删除已有的字段
  • 方法：添加一个新的方法、删除已有的方法、修改已有的方法
  • ……（省略）
public class HelloWorld extends Object implements Cloneable {
    public int intValue;
    public String strValue;

    public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public int sub(int a, int b) {
        return a - b;
    }

    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

专业的描述

ASM is an all-purpose( 多用途的；通用的 ) Java ByteCode manipulation( 这里的 manipulation 应该是指 generate 和 transform 操作 ) and analysis framework. It can be used to modify existing classes or to dynamically generate classes, directly in binary form.

The goal of the ASM library is to generate, transform and analyze compiled Java classes, represented as byte arrays (as they are stored on disk and loaded in the Java Virtual Machine).

What ASM Can Do

  • Program analysis, which can range from a simple syntactic parsing to a full semantic analysis, can be used to find potential bugs in applications, to detect unused code, to reverse engineer code, etc.
  • Program generation is used in compilers. This includes traditional compilers, but also stub or skeleton compilers used for distributed programming, Just in Time compilers, etc.
  • Program transformation can be used to optimize or obfuscate programs, to insert debugging or performance monitoring code into applications, for aspect oriented programming, etc.

小总结：

  • generation：是从 0 到 1 的操作，是最简单的操作，在第二章进行介绍。 也就是说，原来什么都没有，经过 generation 操作，会生成一个新的 .class 文件。
  • transformation：是从 1 到 1 的操作，是中度复杂的操作，在第三章进行介绍。 也就是说，原来有一个 .class 文件，经过 transformation 操作，会生成一个新的 .class 文件。
  • analysis：是从 1 到 0 的操作，是最复杂的操作。 也就是说，原来有一个 .class 文件，经过 analysis 操作，虽然有分析的结果，但是不会生成新的 .class 文件。

在这里，希望大家记忆这三个单词：generation、transformation 和 analysis。因为这三个单词，用精简、准确的语言来描述 ASM 能够做什么。

为什么要学习 ASM ？

平常，我们使用 Java 语言进行开发，能够解决很多的问题。我们可以把 Java 语言解决问题的范围称之为“Java 语言的世界”。 那么，ASM 起什么作用呢？ ASM 就是一处位于“Java 语言的世界”边界上的一扇大门； 通过这扇大门，我们可以前往“字节码的世界”。在“字节码的世界”里，我们会看到不一样的“风景”，能够解决不一样的“问题”。

ASM 往往在一些框架的底层起着重要的作用。 接下来，我们介绍两个关于 ASM 的应用场景：Spring 和 JDK。这两个应用场景例子的目的，就是希望大家了解到 ASM 的重要性。

Spring 当中的 ASM

第一个应用场景，是 Spring 框架当中的 AOP。 在很多 Java 项目中，都会使用到 Spring 框架，而 Spring 框架当中的 AOP（Aspect Oriented Programming）是依赖于 ASM 的。 具体来说，Spring 的 AOP，可以通过 JDK 的动态代理来实现，也可以通过 CGLIB 实现。 其中，CGLib (Code Generation Library) 是在ASM的基础上构建起来的， 所以，Spring AOP 是间接的使用了 ASM。 （参考自 Spring Framework Reference Documentation 的 8.6 Proxying mechanisms）。

JDK 当中的 ASM

第二个应用场景，是 JDK 当中的 Lambda 表达式。 在 Java 8 中引入了一个非常重要的特性，就是支持 Lambda 表达式。 Lambda 表达式，允许把方法作为参数进行传递，它能够使代码变的更加简洁紧凑。 但是，我们可能没有注意到，其实，在现阶段（Java 8 版本），Lambda 表达式的调用是通过 ASM 来实现的。

在 rt.jar 文件的 jdk.internal.org.objectweb.asm 包当中，就包含了 JDK 内置的 ASM 代码。在 JDK 8 版本当中，它所使用的 ASM 5.0 版本。

如果我们跟踪 Lambda 表达式的编码实现，就会找到 InnerClassLambdaMetafactory.spinInnerClass() 方法。 在这个方法当中，我们就会看到：JDK 会使用 jdk.internal.org.objectweb.asm.ClassWriter 来生成一个类，将 lambda 表达式的代码包装起来。

  • LambdaMetafactory.metafactory() 第一步，找到这个方法
    • InnerClassLambdaMetafactory.buildCallSite() 第二步，找到这个方法
      • InnerClassLambdaMetafactory.spinInnerClass() 第三步，找到这个方法

注意：在《Java ASM 系列二：OPCODE》的 第三章中的 Java 8 Lambda 对 Lambda 实现进行了较为详细的介绍。

总结

本文主要是对 ASM 进行简单的介绍，希望大家能够对 ASM 有基本的了解，并没有涉及到“技术性”的知识点，因此也不需要“记忆”任何内容，了解一下就够了。

本文内容总结如下：

  • 第一点，ASM 所处理对象是字节码数据，也可以直观的理解成 .class 文件，因此 ASM 并不是针对 .java 文件进行处理。
  • 第二点，ASM 能够对字节码数据进行哪些操作呢？回答：analyze、generate、transform。
  • 第三点，ASM 可以形象的理解为“Java 语言世界”边缘上的一扇大门，通过这扇大门，可以帮助我们进入到“字节码的世界”。