前言
Android开发讲道理更应该卷的是dex字节码，但实际上做应用开发时，插桩流程往往在class2dex的过程中，一些插桩框架最终操作的还是class字节码。Java世界JVM最终执行字节码指令，将class字节码解释成机器码执行；Android世界ART最终执行dex，将dex字节码解释成机器码执行。当然ART本身也做了好几次变更，现在基本上是解释、JIT、AOT混合的方式执行，见下图：
Android Runtime
简单的总结就是，apk安装时将dex加载进内存，首次执行方法时没有JIT编译缓存，解释执行，并将其缓存到JIT Cache同时将多次执行的热点方法配置到profile文件，机器在充电或其它闲置状态时执行dex2oat将profile文件配置的热点函数AOT编译成.oat文件，.oat本质上就是个elf文件了。后续方法执行时先找.oat，然后JIT Cache，都没有就解释执行。
dex字节码指令是基于寄存器的，class字节码是基于栈的，虚拟机层面的寄存器虽然也是内存模拟的，但是同样的操作基于寄存器的指令相比较于基于栈的class字节码是要少一些的，指令少就意味着对内存的访问次数少，执行效率自然就高。一般来说应用开发不太会去操作dex字节码，除非说做逆向，反编译dex，拿到smali文件，调试魔改重签名。虽然运行时也有dexmaker这种框架可以用Java api动态生成dex指令，但实际上还是在class字节码层面操作更多。
无论是class字节码还是dex字节码，都是编译器前端的产物IR，dex字节码相当于对class字节码再转换了一层，更适用于资源有限的移动平台机器。
JVM内存模型
BB了一堆，回到本文的重点。Java字节码是一组可以由JVM执行的高度优化的指令，它被记录在Class文件中，在虚拟机加载Class文件时执行。Class文件并不等于字节码，Class文件包含字节码，通俗来说字节码就是Class文件方法表（methods）中的Code属性。
先看看JDK8的内存结构，偷张图：
JDK8
当类被首次加载时，会在堆上创建类的Class对象其实也就是反射会用到的Class对象，同时Class文件中的信息被加载到JVM方法区中，字节码指令也会装配到方法区中，为方法的运行提供支持。
虚拟机栈是描述方法的内存模型，属于线程私有。虚拟机栈中方法调用时会创建栈帧，方法return返回时相应的会将栈帧出栈。栈帧可视为单个方法的内存模型，其又包括局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口。
- 局部变量表用于储存方法参数和局部变量。
- 操作数栈保存求值的中间结果、调用别的方法参数。
- 动态连接指的是栈帧当前方法指向运行时常量池的一个引用，说白了也就是找到对应方法区的方法然后根据这个引用读取字节码。
- 方法出口记录被调用的方法退出后回到上层方法的位置。
下面通过例子看一下字节码指令执行流程。
加载存储指令
根据我自己的学习方法，重点先关注局部变量表、操作数栈和三个字节码指令：
- 常量入栈指令
将一个常量加载到操作数栈 ：bipush、sipush、ldc、ldc_w、ldc2_w、aconst_null、iconst_m1、iconst_<i>、lconst_<l>、fconst_<f>、dconst_<d> - 局部变量压栈指令
xload、xload_<n>（其中x为i、l、f、d、a，而n为0~3） - 出栈装入局部变量表指令
将一个数值从操作数栈存储到局部变量表：xstore、xstore_<n>其中x为i、l、f、d、a，而n为0~3）；xastore（其中x为i、l、f、d、a、b、c、s），局部变量表可以看做一个数组，对于非静态方法索引为0的位置默认为this指针。
说起来很抽象，下面看例子🌰🌰🌰
public void add() {
int a = 3;
int b = 6;
int c = a + b;
}
对应字节码，逐行注释。这里用asm插件查看字节码，除了大小写之外基本没啥区别。
public add()V
ICONST_3 //常量3入栈
ISTORE 1 //常量3出栈存入局部变量表下表为1的位置
BIPUSH 6 //常量6入栈
ISTORE 2 //常量6出栈存入局部变量表下表为2的位置
ILOAD 1 //常量3入栈，load指令将局部变量复制一份到操作数栈
ILOAD 2 //常量6入栈
IADD //3,6出栈执行加法，将结果9入栈
ISTORE 3 //9出栈存入局部变量表下标为3的位置
RETURN
MAXSTACK = 2
MAXLOCALS = 4
这里有个新的指令iadd表示操作数栈栈顶两个int类型数据出栈，执行加法运算将相加的结果入栈。与之相似，加减乘除等算数指令都一样，其实完全没有必要去背这些字节码指令，弄懂了同一类指令的执行流程就够了，遇到不记得的指令对应去查找就好了。
正好借这个简单的例子看一下dex字节码，这里借助AS java2smali插件：
# virtual methods
.method public add()V
.registers 4
.prologue
.line 5
const/4 v0, 0x3
.line 6
.local v0, "a":I
const/4 v1, 0x6
.line 7
.local v1, "b":I
add-int v2, v0, v1
.line 8
.local v2, "c":I
return-void
.end method
其实相对来说更接近汇编的dex字节码反而更好懂，毕竟计算没有入栈出栈的过程直接add-int v2, v0, v1，去掉行号使用的指令确实也更少。事实上学会了阅读class字节码，dex字节码肯定也不在话下。本文后面就不再关注dex字节码了，有兴趣的小伙伴可以对照指令集学习dalvik-bytecode。
继续看🌰🌰🌰1
public void add(){
int i = 3;
i = i++;
}
对应字节码
public add()V
ICONST_3 //将常量3压入操作数栈
ISTORE 1 //操作数栈出栈，存入局部变量表下标为1的位置
ILOAD 1 //局部变量表下标为1的变量加载到操作数栈
IINC 1 1 //4--->自增指令，IINC后面两个1，第一个是局部变量表位置，第二个是增加多少。
ISTORE 1 //3--->操作数栈出栈，存入局部变量表下标为1的位置
RETURN
MAXSTACK = 1
MAXLOCALS = 2
很清晰了啊，i++自增之后会被操作数栈原本的值重新覆盖，所以还是3。
经典八股🌰🌰🌰2
public void add() {
int i = 3;
i = i++ + ++i;
}
字节码，重点关注操作数栈和局部变量表变化，先忽略局部变量表下标为0的位置保存了this。
public add()V
ICONST_3 //栈3，表null
ISTORE 1 //栈null，表3
ILOAD 1 //栈3，表3
IINC 1 1 //栈3，表4
IINC 1 1 //栈3，表5
ILOAD 1 //栈3、5，表5
IADD //栈8，表5
ISTORE 1 //栈null，表8
RETURN
MAXSTACK = 2
MAXLOCALS = 2
}
看到这里，什么i = i++、i = ++i、i = i++ + ++i、i = ++i + i++还不是手到擒来，站在字节码的角度看这些迷惑操作可以说是降维打击了。
继续强化一波，经典八股🌰🌰🌰3
public void add() {
int i = 3;
i = ++i + i++;
}
对应字节码
public add()V
ICONST_3 //栈3，表null
ISTORE 1 //栈null，表3
IINC 1 1 //栈null，表4
ILOAD 1 //栈4，表4
ILOAD 1 //栈4、4，表4
IINC 1 1 //栈4、4，表5
IADD //栈8，表5
ISTORE 1 //栈null，表8
RETURN
MAXSTACK = 2
MAXLOCALS = 2
}
过程有点不一样，但结果还是8，到这肯定能看懂局部变量的声明和一些算数运算了。那有的同学就会问，你这是只是局部变量啊，那全局变量、静态变量执行流程也一样吗？别慌，拉出来溜溜看。
全局变量🌰🌰🌰4
public class Num {
int i;
public void add() {
i = 3;
i = ++i + i++;
}
}
说实话，下面这段我建议大家自己跟一遍，没看字节码之前无法想象这么点代码居然会生成这么多指令。
public add()V
ALOAD 0 //0是this，局部变量表的this加载到操作数栈
ICONST_3 //常量3入栈
//赋值给全局变量i，其实就等同于this.i = 3
PUTFIELD com/chenxuan/code/Num.i : I
ALOAD 0 //this入栈
ALOAD 0 //this入栈
DUP //复制栈顶this，此时栈3个this
//this出栈，获取全局变量i入栈
GETFIELD com/chenxuan/code/Num.i : I
ICONST_1 //常量1入栈，此时栈this、this、i、1
IADD //1,i出栈执行加法，加法运算结果4入栈，此时栈this、this、4
DUP_X1 //复制栈顶4,插入下标1，此时栈this、4、this、4
//全局变量赋值，this.i = 4，此时栈this、4
PUTFIELD com/chenxuan/code/Num.i : I
ALOAD 0 //this入栈
DUP //复制this，此时栈this、4、this、this
//全局变量i入栈，此时栈this、4、this、i，需注意i的值已经是4了
GETFIELD com/chenxuan/code/Num.i : I
DUP_X1 //复制栈顶i插入下标1，此时栈this、i、4、this、i
ICONST_1 //常量1入栈，此时栈this、i、4、this、i、1
IADD //加法运算，此时栈this、i、4、this、5
//this.i = 5，此时栈this、i、4，需注意栈内的i还是4
PUTFIELD com/chenxuan/code/Num.i : I
IADD //加法运算，此时栈this、8
//this.i = 8，操作数栈空了
PUTFIELD com/chenxuan/code/Num.i : I
RETURN
//栈的最大深度，对应前面this、i、4、this、i、1
MAXSTACK = 6
MAXLOCALS = 1
GETFIELD、PUTFIELD很好理解，全局变量取值赋值；DUP、DUP_X1详见下图：
dup & pop
上述全局变量get、put都是通过this进行调用，而this默认保存在局部变量表的第零项。
方法调用🌰🌰🌰5
public class Num {
public void a() {
b();
}
public void b() {
}
}
看下字节码，方法内调用原类方法也是通过this，只不过这个this编译器帮忙生成了。
public a()V
ALOAD 0 //this
INVOKEVIRTUAL com/chenxuan/code/Num.b ()V
RETURN
MAXSTACK = 1
MAXLOCALS = 1
public b()V
RETURN
MAXSTACK = 0
MAXLOCALS = 1
方法调用指令
- invokevirtual
用于调用对象的实例方法，支持多态。 - invokeinterface
用于调用接口方法，运行时找到实现类的接口方法进行调用。 - invokespecial
构造方法，私有方法，父类方法。 - invokestatic
静态方法或者说是类方法。 - invokedynamic
Java8 lambda使用，在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，并执行该方法。
🌰🌰🌰5中this.b()就是对象实例方法了，所以调用指令为invokevirtual。invokevirtual、invokeinterface调用的方法都有可能会被重写，其实也就是多态，子类方法表首先会继承父类的方法，子类重写父类方法时，在方法表中用自己的实现替代父类方法。调用这些方法时，先找实例类，然后查找方法表中对应的方法进行调用。invokespecial、invokestatic调用的方法都是静态绑定的，不会被重写。
android平台的lambda有一个脱糖的过程，这也是插桩的老生常谈了，简单来说就是将invokedynamic的实现改为了匿名内部类的方式。
对象创建指令🌰🌰🌰6
public class Num {
public void a() {
Inner inner = new Inner();
}
static class Inner {
}
}
字节码
public a()V
//堆上创建对象实例，引用入栈
NEW com/chenxuan/code/Num$Inner
DUP //复制引用到栈顶
//调用构造方法，引用出栈
INVOKESPECIAL com/chenxuan/code/Num$Inner.<init> ()V
ASTORE 1 //引用出栈，存入局部变量表
RETURN
MAXSTACK = 2
MAXLOCALS = 2
对象创建的过程：先在堆上创建实例，对象引用push到操作数栈；dup复制一份引用，用来调用对象的构造方法；最后将剩余的引用存入局部变量，注意位置，0是当前对象this。
类型检查指令🌰🌰🌰7
public void a(View view) {
if (view instanceof TextView) {
((TextView) view).setText("TextView");
}
}
字节码
public a(Landroid/view/View;)V
ALOAD 1
INSTANCEOF android/widget/TextView
IFEQ L0
ALOAD 1
CHECKCAST android/widget/TextView
LDC "TextView"
INVOKEVIRTUAL android/widget/TextView.setText (Ljava/lang/CharSequence;)V
L0
RETURN
MAXSTACK = 2
MAXLOCALS = 2
对应指令就是INSTANCEOF、CHECKCAST，比较好理解，此处条件指令IFEQ不满足条件跳转L0，方法return返回。思考一下kotlin的智能转换，看一下kotlin的字节码，为啥不需要在代码中显示as向下转型。
🌰🌰🌰8
fun text(view: View) {
if (view is TextView) {
view.text = "TextView"
view.textSize = 16f
}
}
字节码，很容易想到编译器帮忙加了CHECKCAST。
public final text(Landroid/view/View;)V
// annotable parameter count: 1 (invisible)
@Lorg/jetbrains/annotations/NotNull;() // invisible, parameter 0
ALOAD 1
LDC "view"
INVOKESTATIC kotlin/jvm/internal/Intrinsics.checkNotNullParameter (Ljava/lang/Object;Ljava/lang/String;)V
ALOAD 1
INSTANCEOF android/widget/TextView
IFEQ L0
ALOAD 1
CHECKCAST android/widget/TextView
LDC "TextView"
CHECKCAST java/lang/CharSequence
INVOKEVIRTUAL android/widget/TextView.setText (Ljava/lang/CharSequence;)V
ALOAD 1
CHECKCAST android/widget/TextView
LDC 16.0
INVOKEVIRTUAL android/widget/TextView.setTextSize (F)V
L0
RETURN
MAXSTACK = 2
MAXLOCALS = 2
有个比较神奇的ab值交换，这个说实话，反编译成Java也看不明白。
🌰🌰🌰9
public fun ab() {
var a = 3;
var b = 4;
a = b.also {
b = a
}
}
字节码
public final ab()V
ICONST_0
ISTORE 1
ICONST_3
ISTORE 1
ICONST_0
ISTORE 2
ICONST_4
ISTORE 2
ILOAD 2
ISTORE 3
ILOAD 3
ISTORE 4
ICONST_0
ISTORE 5
ILOAD 1
ISTORE 2
NOP
ILOAD 3
ISTORE 1
RETURN
MAXSTACK = 1
MAXLOCALS = 6
}
MAXLOCALS为6，里面一堆操作，最终局部变量表1的值变成了4，2的值变成了3完成交换。多出的三个局部变量想来是lambda内部ab的拷贝，还有一个就是lambda内部it指向的变量。
总结
说实话，八股归八股，这些i++的例子抛开恶心不谈，确实也让我有所收获，只能说记忆深刻。卷到这里，再回过头去看kotlin的编译产物、ASM插桩等，应该也是得心应手了。当然，最重要的是，技术对线不再挂机，大佬们在高谈阔论的时候，我也可以插个嘴嘴=。=
那实用主义的同学可能就会说了，你卷这些有个鸡儿用，对咱们的项目有一点帮助吗？别急，看下booster、ByteX这么多ASM处理对项目的优化是实实在在的，总归要知其然知其所以然吧，总不能引入一下后续修改都无从下手吧。那booster、ByteX没有的一些功能，项目中的一些痛点自己下来也能撸了，还不是美滋滋。
相关链接：
jit-compiler
dalvik-bytecode
JVM字节码指令集
dex-format
class-format
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