无处不在的字节码技术-ASM在cglib和fastjson中的应用

架构狂人

发布于 2023-08-16 16:41:57

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字节码技术在我们常见的各大框架中都有用到. 这篇文章我们将讲解 ASM 在 cglib 和 fastjson 上的实际使用案例。

cglib 的简单应用

如果说 ASM 是字节码改写事实上的标准，那么可以说 cglib 则是动态代理事实上的标准。cglib 是一个强大的、高性能的代码生成库，被大量框架使用

Spring：为基于代理的 AOP 框架提供方法拦截
MyBatis：用来生成 Mapper 接口的动态代理实现类
Hibernate：用来生成持久化相关的类
Guice、EasyMock、jMock 等在实现内部，cglib 库使用了 ASM 字节码操作框架来转化字节码，产生新类，帮助开发者屏蔽了很多字节码相关的内部细节，不用再去关心类文件格式、指令集等

有这样一个 Person 类，想在 doJob 调用前和调用后分别记录一些日志

public class Person {
    public void doJob(String jobName) {
        System.out.println("who is this class: " + getClass());
        System.out.println("doing job: " + jobName);
    }
}

我们可以使用 JDK 动态代理来实现，不过介于 JDK 动态代理有个明显的缺点（需要目标对象实现一个或多个接口），在这里重点介绍 cglib 的实现方案。一个典型的实现方案是实现一个 net.sf.cglib.proxy.MethodInterceptor 接口，用来拦截方法调用。这个接口只有一个方法：public Object intercept(Object obj, java.lang.reflect.Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable;

这个方法的第一个参数 obj 是代理对象，第二个参数 method 是拦截的方法，第三个参数是方法的参数，第四个参数 proxy 用来调用父类的方法。MethodInterceptor 作为一个桥梁连接了目标对象和代理对象

cglib 代理的核心是 net.sf.cglib.proxy.Enhancer类，它用于创建一个 cglib 代理。这个类有一个静态方法public static Object create(Class type, Callback callback)，该方法的第一个参数 type 指明要代理的对象类型，第二个参数 callback 是要拦截的具体实现，一般都会传入一个 MethodInterceptor 的实现

public static void main(String[] _args) {
    MethodInterceptor interceptor = new MethodInterceptor() {
        @Override
        public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
            System.out.println(">>>>>before intercept");
            Object o = methodProxy.invokeSuper(obj, args);
            System.out.println(">>>>>end intercept");
            return o;
        }
    };
    Person person = (Person) Enhancer.create(Person.class, interceptor);
    person.doJob("coding");
}

运行上面的代码输出：

>>>>>before intercept
who is this class: class Person?EnhancerByCGLIB?a1da8fe5
doing job: coding
>>>>>end intercept

可以用设置系统变量让 cglib 输出生成的文件System.setProperty(DebuggingClassWriter.DEBUG_LOCATION_PROPERTY, "/path/to/cglib-debug-location");

核心类是 Person?EnhancerByCGLIB?a1da8fe5.class，这个类的反编译以后的代码如下

public class Person?EnhancerByCGLIB?a1da8fe5 extends Person implements Factory {
    public final void doJob(String jobName) {
        MethodInterceptor methodInterceptor = this.CGLIB$CALLBACK_0;
        methodInterceptor.intercept(this, CGLIB$doJob$0$Method, new Object[]{jobName}, CGLIB$doJob$0$Proxy);
    }
}

可以看到 cglib 生成了一个 Person 的子类，实现了 doJob 方法，此方法会调用 MethodInterceptor 的 intercept 函数，这个函数先输出 ">>>>>before intercept" 然后调用父类（也即真正的 Person 类）的 doJob 的方法，最后输出 ">>>>>end intercept"

FastJson

fastjson 是目前 java 语言中最快的 json 库，比自称最快的 jackson 速度要快。fastjson 库内置 ASM，基于 objectweb asm 3.3 改造，只保留必要的部分不到 2000 行代码，通过 ASM 自动生成序列号、反序列化字节码，减少反射开销，理论上可以提高 20% 的性能。如果不用反射，一个 json 反序列化要怎么样来做呢？下面写了一个最简单粗暴的例子，来反序列化下面的 json 字符串

{
  "id": "A10001",
  "name": "Arthur.Zhang",
  "score": 100
}

对应 Java bean

public static class MyBean {
    public String id;
    public String name;
    public Integer score;
}

假定不考虑嵌套，特殊字符的情况，不做语法解析的情况下，可以这么来写

public static void main(String[] args) {
    String json = "{ \"id\": \"A10001\", \"name\": \"Arthur.Zhang\", \"score\": 100 }";
    // 去掉头尾的 {}
    String str = json.substring(1, json.length() - 1);
    // 用 "," 分割字符串
    String[] fieldStrArray = str.split(",");
    MyBean bean = new MyBean();
    for (String item : fieldStrArray) {
        // 分隔 key value
        String[] parts = item.split(":");
        String key = parts[0].replaceAll("\"", "").trim();
        String value = parts[1].replaceAll("\"", "").trim();
        // 通过反射获取字段对应的 field
        Field field = MyBean.class.getDeclaredField(key);
        // 根据字段类型通过反射设置字段的值
        if (field.getType() == String.class) {
            field.set(bean, value);
        } else if (field.getType() == Integer.class) {
            field.set(bean, Integer.valueOf(value));
        }
    }
    System.out.println(bean);
}

可以看到获取获取字段 field、设置字段值都需要通过反射的方式。那么 fastjson 是怎么解决反射低效的问题的呢？通过调试的方式，把 fastjson 生成的字节码写入到文件中。针对 MyBean，fastjson 使用 ASM 为它生成了一个反序列化的类，里面硬编码了处理序列化需要用到的所有可能场景，不再需要任何反射相关的代码。结合创新的 sort field fast match 算法，速度更上一层楼。下面是通过阅读字节码精简以后的 Java 代码。

public class FastjsonASMDeserializer_1_MyBean extends JavaBeanDeserializer {
    public char[] id_asm_prefix__ = "\"id\":".toCharArray();
    public char[] name_asm_prefix__ = "\"name\":".toCharArray();
    public char[] score_asm_prefix__ = "\"score\":".toCharArray();

    @Override
    public Object deserialze(DefaultJSONParser parser, Type type, Object fieldName, int features) {
        JSONLexerBase lexer = (JSONLexerBase) parser.lexer;
        MyTest.MyBean localMyBean = new MyTest.MyBean();
        String id = lexer.scanFieldString(this.id_asm_prefix__);
        if (lexer.matchStat > 0) {
            localMyBean.id = id;
        }
        String name = lexer.scanFieldString(this.name_asm_prefix__);
        if (lexer.matchStat > 0) {
            localMyBean.name = name;
        }
        Integer score = lexer.scanFieldInt(this.score_asm_prefix__);
        if (lexer.matchStat > 0) {
            localMyBean.score = score;
        }
        return localMyBean;
    }
}

通过上面的两个例子，我们可以看到 ASM 字节码技术在底层库上的强大。可能每天写业务代码不会需要使用这些底层的优化，但是当我们想造一个轮子，想读懂开源代码背后的核心时，都不得不深入的去学习了解这部分知识，很难，但很值得。