Java ASM详解：MethodVisitor与Opcode（一）基本操作与运算
前文我们说到了很多Visitor，它们用于给类中定义类型，添加字段，附上注释。但是对于一个语言来说，最重要的那一部分我们还没有说到——那就是：方法。
一.方法定义
在ClassVisitor中，我们看到了有一个方法名为visitMethod，参数是(int，String，String，String，String[])，按照参数列表的顺序，它们分别指访问标志，方法名，方法描述符，泛型签名和抛出异常列表，返回一个MethodVisitor。（关于方法描述符，请看此系列的第一篇；关于访问标志，请看第二篇）
对于方法名，有下面的规则：
1.方法名不能是关键字或保留字（goto）
2.方法名不能以数字开头
3.可以为<init>和<clinit>
其中，<init>是构造函数，一个类可以有不止一个构造函数。而<clinit>每个类最多有一个，并且方法描述符必须为()V，它在类初始化阶段被JVM调用。（包括调用这个类的成员和Class.forName，但不包括Class.forName的initialize参数为false时的调用）
若方法名不正确，在尝试加载这个类的时候会抛出java.lang.ClassFormatError: Illegal method name。
抛出异常列表中，所有的类名称都为全限定名。
二.操作栈（Operand Stack）
操作栈是一个方法被调用时JVM分配出来的一个栈空间，它用于存储方法内加载的数据和进行字节码指令操作。当JVM接收到一个字节码指令（例如iadd），就会取出栈顶的几项元素（对于iadd来说，就是栈顶的两项），在进行操作之后，将计算或获得的数据放回栈顶（比如iadd计算栈顶两个int的加和之后会放回加和数字）。
对于普通的对象，只会占用一个栈元素。但对于long或double这种对象，会占用两个栈元素。这有关于之后要介绍的visitMaxs。
如果一个字节码需要超过了现在操作栈内的元素数量的元素，那么在调用生成的方法时会抛出`java.lang.VerifyError: Unable to pop operand off an empty stack`。
如果一个字节码需要的类型与现在操作栈中元素类型不同，那么在调用生成的方法时抛出`java.lang.VerifyError: Register <slot> contains wrong type`或`java.lang.VerifyError: Bad type on operand stack`。
在之后的讲解中，我们会大量的使用这个名词，在接下来的编写中，操作栈的变化将会像下面这样写：
三.局部变量表（Local Variable Table）
局部变量表在方法调用中分配的另一个空间，用于存储现在方法内所有的局部变量，表中的数据可以被编号为0-n，叫Slot。普通的元素只会占用一个Slot，但long和double这种数据会占用两个。关于这个的详细使用，请看下面的xload和xstore的字节码介绍。
当这个方法为静态方法时，局部变量表会将参数列表中的变量按顺序放入局部变量表中。
当这个方法不是静态方法，局部变量表的0位是this，之后才会将参数列表变量依次放入表中。
如果局部变量表大小超过了256，那么字节码将会发生变化，xload、xstore等都会受到影响（需要以wide字节码辅助才能进行正常的局部变量读取写入）。但是ASM9中不提供wide字节码，因为MethodWriter中有ASM库自己的处理，所以在用户层编写ASM是无影响的。
四.MethodVisitor的方法
在说完操作栈的概念之后，我们来看看MethodVisitor中都定义了哪些有关于字节码和执行的方法。
下面这些方法第一个参数都为字节码。
visitInsn(int)：访问一个零参数要求的字节码指令，如ACONST_NULL
visitIntInsn(int, int)：访问一个需要零操作栈要求但需要有一个int参数的字节码指令，如BIPUSH
visitVarInsn(int, int)：访问一个有关于局部变量的字节码指令，如ALOAD
visitTypeInsn(int, String)：访问一个有关于类型的字节码指令，如CHECKCAST
visitFieldInsn(int, String, String, String)：访问一个有关于字段的字节码，如PUTFIELD
visitMethodInsn(int, String, String, String, boolean)：访问一个有关于方法调用的字节码，如INVOKESPECIAL
visitJumpInsn(int, Label)：访问跳转字节码，如IFEQ
之后，是一些被包装好的字节码访问方法，这些方法都基于最基本的字节码指令，但是不需要我们自己用上面提到的那些方法直接调用字节码。
visitInvokeDynamicInsn(String, String, Handle, Object...)：基于INVOKEDYNAMIC，动态方法调用，会在lambda表达式和方法引用里面说到
visitLdcInsn(Object)：基于LDC、LDC_W和LDC2_W，将一个常量加载到操作栈用（详细见下文）
visitIincInsn(int, int)：基于IINC、IINC_W，自增/减表达式
visitTableSwitchInsn(int, int, Label, Label...)：基于TABLESWITCH，用于进行table-switch操作
visitLookupSwitchInsn(Label, int[], Label[])：基于LOOKUPSWITCH，用于进行lookup-switch操作
visitMultiANewArrayInsn(String, int)：基于MULTIANEWARRAY，用于创建多重维度数组，如int[][]
在下文说到它们时，会以下面的方式表达：
到这里，所有有关于字节码指令的方法就结束了。块级结构的方法会在下一篇说。
最后，说一下每个方法都要在最后调用的方法：visitMaxs(int, int)。它第一个参数是操作栈的最大大小，第二个是局部变量的个数。如果你调用这个方法时局部变量数量写小了，就会在生成方法调用时抛出`java.lang.ClassFormatError: Arguments can't fit into locals`，如果操作栈大小写小了，在生成方法调用时会抛出`java.lang.VerifyError: Stack size too large`
那么下面，我们将逐系列逐条讲解所有的字节码。这篇专栏先讲基本的操作栈加载存储等操作、常量获取和运算操作。
注意：接下来的x可以为a（针对对象）、i（针对int）、l（针对long）、f（针对float）、d（针对double）、b（针对byte）、c（针对char）、s（针对short），它代表了操作对象的类型。有些时候没有针对于byte和short的专用字节码，这是因为在JVM中，byte和short在被计算时会被强制拉长为int，所以它们使用的和int一样。char和int能互相转换。boolean类似，它们也需要使用int的字节码，而且boolean值的false就是int值0，而true就是int值1。
[啥事都不干的字节码：nop]
这个字节码啥都不干，在实际开发中可以当做代码插入点使用。
[加载字节码：xload与xload_n]
x=a/i/l/f/d
如果在调用此字节码时对应位置没有初始化变量（原先为参数或已经用xstore进行值的放入被视为该位置被初始化），在生成方法调用时会抛出`java.lang.VerifyError: Accessing value from uninitialized register <slot>`。
如果要进行加载的对象位置小于等于3，可以用对应的xload_n版本代替（注意，ASM9的Opcodes中已经不存在xload_n版本的字节码常量，但是在javap反汇编时可以看到此条），例如aload_2。
[存储字节码：xstore与xstore_n]
x=a/i/l/f/d
存储对象的位置规则与加载相同。与加载规则不同的是，xstore可以指定到一个未初始化的位置，并将这个位置初始化。有意思的一点是，你可以不遵循初始化位置的连续性，也就是说，假如2、3位置都未初始化，你可以通过xstore将对象放入3中并初始化它，这时位置2变为了未定义的状态，它在被xload加载时都会抛出`java.lang.VerifyError: Register <slot> contains wrong type`，即使你用的加载指令与放入指令类型相同。这时你只能通过另一次xstore将对象放入位置2，才能使这个位置类型固定。
和xload一样，xstore也有xstore_n版本，但ASM9已经不支持直接写入它们了。
[返回字节码：(x)return]
x=a/i/l/f/d
返回字节码是每个方法必有的，包括void无返回值方法。如果一个方法没有写任何的返回字节码指令，在调用这个生成的方法时就会抛出`java.lang.VerifyError: Falling off the end of the code`。
返回字节码无视操作栈内剩余的所有值，只会将栈顶元素返回，并清除操作栈。
在这个方法为同步方法的前提下，所在线程不是已经锁定的监视器对象所有者时，这条指令会抛出`IllegalMonitorStateException`。这种情况在普通状况下根本无法发生，只有当这个同步方法上在其同步对象上使用了monitorexit却没有使用monitorenter时可能发生。
[复制栈顶字节码：dup家族]
这个字节码是用于复制栈顶元素并插入到栈中的字节码，可以节省xload和xstore的使用量。在这里，...指栈顶下的其他元素。
DUP家族的名称规律是：DUP后紧接着的数字代表了复制数量，Xn代表插入到栈顶下第几层。
[弹出栈顶字节码：pop，pop2]
这个字节码也是用于操作操作栈的。它的使用情况举一个例子：调用了一个有返回值的方法但返回值我们不需要，就可以采用POP。
[交换元素字节码：swap]
这个字节码可以交换栈顶的两个操作数。
[常量池常量读取字节码：ldc（ldc_w, ldc2_w）]
常量池（Constant Pool）中，含有以下几种数据：整数Integer、浮点数Float、字符串字面值String、类的引用Type、句柄Handle或动态常量值ConstantDynamic，所以LDC值可能有这些。
在JVM中，如果常量值是Integer或Float，就会直接将它们放到操作栈顶；如果为String，将String类的引用放到操作栈顶；若为Type，将对应的类型初始化，并将其Class实例引用放到操作栈顶；对于Handle，将java.lang.invoke.MethodHandle/MethodType的引用至于操作栈顶。
在解析类型的引用期间（Type），这条指令可能会抛出有关于类加载的异常；同样的，解析有关于句柄（Handle）的时候也有可能抛出和句柄有关的异常。
[空值常量字节码：aconst_null]
当程序中使用了null，就可以用这个字节码。
[普通数字常量字节码：xconst_n]
x=i/l/f/d;对于iconst，n=m1,0,1,2,3,4,5;对于lconst、dconst，n=0,1;对于fconst，n=0,1,2
当数字较小时，获得数字常量可以不使用LDC，可以直接用这些字节码代替（节省常量池空间）。
[整数常量字节码：bipush和sipush]
当一个数字没有超过这两个字节码规定的范围，我们都可以使用这两个字节码获取整数常量。在编译中，属于这个范围的数字都是用它们进行获取整数（除非是-1~5），而更大/小的整数都是用LDC。
说完了基本的加载存储常量指令，下面来看看程序的最基本功能：计算。
[取反运算字节码：xneg]
x=i/l/f/d
这个字节码用于计算取反（-x）。注意：如果计算时数字溢出、下溢或精度丢失，这个字节码也不会反馈任何警告。
对于整数（int和long），计算规则就是(~x)+1，当它们处于MIN_VALUE时，取反结果仍为MIN_VALUE。
对于浮点数（double和float），这个字节码运算为：
取反与从零减去不等价，若x为+0.0，0.0-x结果为+0.0，而-x为-0.0
若数字为NaN（Not A Number，float的0x7fc00000或double的0x7ff8000000000000L），结果也为NaN
若数字为无穷大（float正0x7f800000负0xff800000，double正0x7ff0000000000000L负0xfff0000000000000L），结果为相反符号的无穷大
若数字为0，结果为相反符号的0
[加法运算字节码：xadd]
x=i/l/f/d
这个字节码用于计算加法（a+b）。注意：如果计算时数字溢出、下溢或精度丢失，这个字节码也不会反馈任何警告。
对于浮点数（double和float），这个字节码运算为：
如果两个数都为NaN，结果是NaN。
2. 如果两个数为相反符号的无穷大，和为NaN
同一符号的无穷大结果是该符号的无穷大
有限值与无穷大的和还是无穷大
相反符号的两个0（+0和-0）结果为+0
相同符号的两个0和为该符号的0
0与非零值的和为非零值
符号相反，绝对值相等的有限值和为+0
若不属于上面的情况，结果将以IEEE 754舍入到最近可表示的浮点值。如果结果太大无法表示为浮点数（超过最大表示范围“溢出”，也就是绝对值超过float的3.4028235e+38f或double的1.7976931348623157e+308），结果为对应符号的无穷大；如果结果太小无法表示为浮点数（超过最小表示范围“下溢”，也就是绝对值小于float的1.4e-45f或double的4.9e-324），结果是对应符号的0。
[减法运算字节码：xsub]
x=i/l/f/d
这个字节码用于计算减法（a-b），等价于a+(-b)。注意：如果计算时数字溢出、下溢或精度丢失，这个字节码也不会反馈任何警告。
浮点数运算法则请同时参照xadd与xneg。
[乘法运算字节码：xmul]
x=i/l/f/d
这个字节码用于计算乘法（a*b）。注意：如果计算时数字溢出、下溢或精度丢失，这个字节码也不会反馈任何警告。
对于浮点数（double和float），这个字节码运算为：
两个数字中有一个是NaN，结果为NaN
无穷大乘以一个0，结果为NaN
无穷大与有限值相乘，结果为无穷大，符号取决于两个数字的符号是否相同，相同为正，相反为负
其余情况为IEEE 754规定，在xadd那里有完整说明
[除法运算字节码：xdiv]
x=i/l/f/d
这个字节码用于计算除法（a/b）。注意：如果计算时数字溢出、下溢或精度丢失，这个字节码也不会反馈任何警告。
对于整数（int和long），这个字节码只会保留商的整数部分。如果除数为0，这个字节码会抛出`java.lang.ArithmeticException: / by zero`
对于浮点数（double和float），这个字节码运算为：
两个数字中有一个是NaN，结果为NaN
无穷大除以无穷大，结果为NaN
无穷大除以有限值，结果为无穷大，符号取决于两个数字的符号（规则见xmul）
有限值除以无穷大，结果为0，符号同上
0除以0为NaN
0除以有限值为0，符号同上
有限值除以0为无穷大，符号同上
其余情况为IEEE 754规定，在xadd那里有完整说明
[取余运算字节码：xrem]
这个字节码用于计算取余操作（a%b）。注意：如果计算时数字溢出、下溢或精度丢失，这个字节码也不会反馈任何警告。
对于浮点数（double和float），这个字节码运算为：
两个数字中有一个是NaN，结果为NaN
符号取决于被除数
被除数为无穷大或除数为0，结果为NaN
被除数为有限值而除数为无穷大，结果为被除数
被除数为0，结果为0
其余情况为IEEE 754规定，在xadd那里有完整说明
[自增字节码：iinc(iinc_w)]
自增字节码是适用于int的字节码，在以下情境中会用到:
i++或i--或++i或--i
i+=x或i-=x
自增字节码可以使用负数。
[按位且运算字节码：xand]
x=i/l
这个字节码用于计算按位且操作（a&b）。
[按位或运算字节码：xor]
x=i/l
这个字节码用于计算按位或操作（a|b）。
[按位异或运算字节码：xxor]
x=i/l
这个字节码用于计算按位或操作（a^b）。
同时，这个字节码还可以用于计算按位取反（这也是JVM的实现）：~x=x^(-1)。
[按位左移运算字节码：xshl]
x=i/l
这个字节码用于计算按位左移操作（a<<b）。如果左移位数超过了32（int）或64（long）位，系统只会采取最低的5（int）或6（long）位进行左移操作。
[按位右移运算字节码：xshr]
x=i/l
这个字节码用于计算按位右移操作（a>>b）。如果右移位数超过了32（int）或64（long）位，系统只会采取最低的5（int）或6（long）位进行右移操作。
[按位无符号右移运算字节码：xushr]
x=i/l
这个字节码用于计算按位无符号右移操作（a>>>b）。如果右移位数超过了32（int）或64（long）位，系统只会采取最低的5（int）或6（long）位进行无符号右移操作。
运算字节码说完之后，最后，来看看数字转换的字节码。
[转换为float的字节码：x2f]
x=i/l/d
转换为float采取了IEEE 754的取值规律，详见xadd。虽然对于int，float转换是由低级拓宽范围，但是由于float值不能取到所有int可表示的数字（float仅有24位精确数字，其他为指数和符号位），所以此转换仍然不精确。
[转换为double的字节码：x2d]
x=i/l/f
转换为double采取了IEEE 754的取值规律，详见xadd。对于int，这种转换是完全精确的。对于float，如果这个方法是FP-Strict，也就是采取了ACC_STRICT修饰（Java中的strictfp），这个计算就是精确的；如果不是，这个计算可能进行舍入。对于long，由于double值不能取到long表示的所有数字（double仅有53位精确数字，其他为指数和符号位），所以计算不精确。
[转换为int的字节码：x2i]
x=d/l/f
由于int在四种数字中级别最低，long转换为它时都有可能丢失精度（甚至符号位），float和double会使用IEEE 754“向零舍入”。特殊情况下，如果浮点数的NaN转换为int，值为0；如果浮点数超出int最大范围，则为相应符号下的最大值。
[转换为long的字节码：x2l]
x=i/d/f
由于long级别大于int，int转换为long不丢失精度。在浮点数下，long与int的转换规则类似。
[int转换为其他基本类型的字节码：i2x]
x=b/c/s
这三个字节码能分别将int缩小转换为byte（-128~127）、short（-32768~32767）和char（0~65535）。由于是缩小变换，可能丢失精度甚至符号位。
[下面是使用例子:计算平方和]
Java代码如下：
使用ASM写入，如下：
这篇专栏到这里就结束了，下一期：Java ASM详解：MethodVisitor与Opcode（二）类、数组与调用
这篇文章一共讲了130个字节码呢~
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