Even for experienced Java developers, reading compiled Java bytecode is tedious. Why do we need to understand this low-level stuff in the first place? Here's a simple story that happened to me last week: A long time ago, I made some code changes on my machine, compiled a JAR, and deployed it to the server to test a potential fix for a performance issue. Unfortunately, the code was never checked into the version control system, and for some reason local changes were removed without tracking. After a few months, I modified the source code again, but I can't find the last changed version!
Fortunately the compiled code still exists on that remote server. I then breathed a sigh of relief, I grabbed the JAR again and opened it with a decompiler editor... just one problem: the decompiler GUI is not a perfect tool, and for some reason, in the Finding the specific class I want to decompile among the many classes in the JAR and when I open it causes an error in the UI and the decompiler crashes!
Desperate times require desperate measures. Fortunately, I'm familiar with the raw bytecode, and I'd rather spend some time manually decompiling some code than by constantly changing and testing them. Because I still remember where to look at the code, reading the bytecode helped me pinpoint specific changes and build them in source form. (I must learn from my mistakes and cherish those lessons this time!)
The nice thing about bytecode is that you can learn its syntax just once, and then it works on all Java supported platforms - because it's an intermediate representation of the code, not the actual executable code for the underlying CPU. Also, bytecode is simpler than native code because the JVM architecture is rather simple, thus simplifying the instruction set, another good thing is that all instructions in this set are fully documented by Oracle.
However, before learning about the bytecode instruction set, let's familiarize yourself with some things about the JVM, which are prerequisites for the next step.
JVM data types
Java is statically typed, which affects the design of bytecode instructions such that instructions expect themselves to operate on values of a specific type. For example, there are several add instructions for adding two numbers: iadd, ladd, fadd, dadd. They expect operands of types to be int, long, float, and double, respectively. Most bytecodes have the property of having the same functionality in different forms, depending on the operand types.
The data types defined by the JVM include:
1. Basic type:
Numeric types: byte (8-bit), short (16-bit), int (32-bit), long (64-bit), char (16-bit unsigned Unicode), float (32-bit IEEE 754 single-precision floating-point type) ), double (64-bit IEEE 754 double-precision floating point)
boolean type
Pointer type: Instruction pointer.
2. Reference type:
kind
array
interface
Support for boolean types in bytecode is limited. For example, there is no structure that can directly manipulate boolean values. The substitution of boolean values to int is done by the compiler, and is ultimately converted to an int structure.
Java developers should be familiar with all of the above types except returnAddress, which has no programming language equivalent.
stack-based architecture
The simplicity of the bytecode instruction set is largely due to Sun's design of a stack-based VM architecture rather than a register-based architecture. There are various processes that use JVM-based memory components, but basically only the JVM heap needs to be scrutinized for bytecode instructions:
PC register: For each running thread in a Java program, there is a PC register that holds the address of the currently executing instruction.
JVM stack : For each thread, a stack is allocated where local variables, method parameters and return values are stored. Below is a stack example showing 3 threads.
Heap: Memory and storage objects (class instances and arrays) shared by all threads. Object reclamation is managed by the garbage collector.
Method area : For each loaded class, it stores the code for the method and a symbol table (eg references to fields or methods) and constant pool.
JVM堆栈是由帧组成的，当方法被调用时，每个帧都被推到堆栈上，当方法完成时从堆栈中弹出（通过正常返回或抛出异常）。每一帧还包括：
本地变量数组，索引从0到它的长度-1。长度是由编译器计算的。一个局部变量可以保存任何类型的值，long和double类型的值占用两个局部变量。
用来存储中间值的栈，它存储指令的操作数，或者方法调用的参数。
字节码探索
关于JVM内部的看法，我们能够从示例代码中看到一些被生成的基本字节码例子。Java类文件中的每个方法都有代码段，这些代码段包含了一系列的指令，格式如下：
opcode (1 byte) operand1 (optional) operand2 (optional) ...
这个指令是由一个一字节的opcode和零个或若干个operand组成的，这个operand包含了要被操作的数据。
在当前执行方法的栈帧里，一条指令可以将值在操作栈中入栈或出栈，可以在本地变量数组中悄悄地加载或者存储值。让我们来看一个例子：
为了打印被编译的类中的结果字节码（假设在Test.class文件中），我们运行javap工具：
javap -v Test.class
我们可以得到如下结果：
我们可以看到main方法的方法声明，descriptor说明这个方法的参数是一个字符串数组([Ljava/lang/String; )，而且返回类型是void（V）。下面的flags这行说明该方法是公开的(ACC_PUBLIC)和静态的 (ACC_STATIC)。
Code属性是最重要的部分，它包含了这个方法的一系列指令和信息，这些信息包含了操作栈的最大深度（本例中是2）和在这个方法的这一帧中被分配的本地变量的数量（本例中是4）。所有的本地变量在上面的指令中都提到了，除了第一个变量（索引为0），这个变量保存的是args参数。其他三个本地变量就相当于源码中的a，b和c。
从地址0到8的指令将执行以下操作：
iconst_1:将整形常量1放入操作数栈。
istore_1:在索引为1的位置将第一个操作数出栈（一个int值）并且将其存进本地变量，相当于变量a。
iconst_2:将整形常量2放入操作数栈。
istore_2:在索引为2的位置将第一个操作数出栈并且将其存进本地变量，相当于变量b。
iload_1:从索引1的本地变量中加载一个int值，放入操作数栈。
iload_2:从索引2的本地变量中加载一个int值，放入操作数栈。
iadd:把操作数栈中的前两个int值出栈并相加，将相加的结果放入操作数栈。
istore_3:在索引为3的位置将第一个操作数出栈并且将其存进本地变量，相当于变量c。
return:从这个void方法中返回。
上述指令只包含操作码，由JVM来精确执行。
方法调用
上面的示例只有一个方法，即 main 方法。假如我们需要对变量 c 进行更复杂的计算，这些复杂的计算写在新方法 calc 中：
看看生成的字节码：
main 方法代码唯一的不同在于用 invokestatic 指令代替了 iadd 指令，invokestatic 指令用于调用静态方法 calc。注意，关键在于操作数栈中传递给 calc 方法的两个参数。也就是说，调用方法需要按正确的顺序为被调用方法准备好所有参数，交依次推入操作数栈。iinvokestatic（还有后面提到的其它类似的调用指令）随后会从栈中取出这些参数，然后为被调用方法创建一个新的环境，将参数作为局域变量置于其中。
我们也注意到invokestatic指令在地址上看占据了3字节，由6跳转到9。不像其余指令那样那么远，这是因为invokestatic指令包含了两个额外的字节来构造要调用的方法的引用（除了opcode外）。这引用由javap显示为#2，是一个引用calc方法的符号，解析于从前面描述的常量池中。
其它的新信息显然是calc方法本身的代码。它首先将第一个整数参数加载到操作数堆栈上（iload_0）。下一条指令，i2d，通过应用扩展转换将其转换为double类型。由此产生的double类型取代了操作数堆栈的顶部。
再下一条指令将一个double类型常量2.0d(从常量池中取出)推到操作数堆栈上。然后静态方法Math.pow调用目前为止准备好的两个操作数值（第一个参数是calc和常量2.0d）。当Math.pow方法返回时，他的结果将会被存储在其调用程序的操作数堆栈上。在下面说明。
同样的程序应用于计算Math.pow(b,2):
下一条指令，dadd，会将栈顶的两个中间结果出栈，将它们相加，并将所得之和推入栈顶。最后，invokestatic 对这个和值调用 Math.sqrt，将结果从 double（双精度浮点型） 窄化转换（d2i）成 int（整型）。整型结果会返回到 main 方法中， 并在这里保存到 c（istore_3）。
创建实例
现在修改这个示例，加入 Point 类来封装 XY 坐标。
编译后的 main 方法的字体码如下：
这里引入了 new、dup 和 invokespecial 几个新指令。new 指令与编程语言中的 new 运算符类似，它根据传入的操作数所指定类型来创建对象（这是对 Point 类的符号引用）。对象的内存是在堆上分配，对象引用则是被推入到操作数栈上。
dup指令会复制顶部操作数的栈值，这意味着现在我们在栈顶部有两个指向Point对象的引用。接下来的三条指令将构造函数的参数（用于初始化对象）压入操作数堆栈中，然后调用与构造函数对应的特殊初始化方法。下一个方法中x和y字段将被初始化。该方法完成之后，前三个操作数的栈值将被销毁，剩下的就是已创建对象的原始引用（到目前为止，已成功完成初始化了）。
接下来，astore_1将该Point引用出栈，并将其赋值到索引1所保存的本地变量(astore_1中的a表明这是一个引用值).
通用的过程会被重复执行以创建并初始化第二个Point实例，此实例会被赋值给变量b。
最后一步是将本地变量中的两个Point对象的引用加载到索引1和2中（分别使用aload_1和aload_2），并使用invokevirtual调用area方法，该方法会根据实际的类型来调用适当的方法来完成分发。例如，如果变量a包含一个扩展自Point类的SpecialPoint实例，并且该子类重写了area方法，则重写后的方法会被调用。在这种情况下，并不存在子类，因此仅有area方法是可用的。
请注意，即使area方法接受单参数，堆栈顶部也有两个Point的引用。第一个（pointA，来自变量a）实际上是调用该方法的实例（在编程语言中被称为this），对area方法来说，它将被传递到新栈帧的第一个局部变量中。另一个操作数（pointB）是area方法的参数。
另一种方式
你无需对每条指令的理解和执行的准确流程完全掌握，以根据手头的字节码了解程序的功能。例如，就我而言，我想检查代码是否驱动Javastream来读取文件，以及流是否被正确地关闭。现在以下面的字节码为例，确认以下情况是很简单的：一个流是否被使用并且很有可能是作为try-with-resources语句的一部分被关闭的。
public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.Exception; descriptor: ([Ljava/lang/String;)V flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code: stack=2, locals=8, args_size=1 0: ldc #2 // class test/Test 2: ldc #3 // String input.txt 4: invokevirtual #4 // Method java/lang/Class.getResource:(Ljava/lang/String;)Ljava/net/URL; 7: invokevirtual #5 // Method java/net/URL.toURI:()Ljava/net/URI; 10: invokestatic #6 // Method java/nio/file/Paths.get:(Ljava/net/URI;)Ljava/nio/file/Path; 13: astore_1 14: new #7 // class java/lang/StringBuilder 17: dup 18: invokespecial #8 // Method java/lang/StringBuilder."":()V
21: astore_2
22: aload_1
23: invokestatic #9 // Method java/nio/file/Files.lines:(Ljava/nio/file/Path;)Ljava/util/stream/Stream;
26: astore_3
27: aconst_null
28: astore 4
30: aload_3
31: aload_2
32: invokedynamic #10, 0 // InvokeDynamic #0:accept:(Ljava/lang/StringBuilder;)Ljava/util/function/Consumer;
37: invokeinterface #11, 2 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.forEach:(Ljava/util/function/Consumer;)V
42: aload_3
43: ifnull 131
46: aload 4
48: ifnull 72
51: aload_3
52: invokeinterface #12, 1 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.close:()V
57: goto 131
60: astore 5
62: aload 4
64: aload 5
66: invokevirtual #14 // Method java/lang/Throwable.addSuppressed:(Ljava/lang/Throwable;)V
69: goto 131
72: aload_3
73: invokeinterface #12, 1 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.close:()V
78: goto 131
81: astore 5
83: aload 5
85: astore 4
87: aload 5
89: athrow
90: astore 6
92: aload_3
93: ifnull 128
96: aload 4
98: ifnull 122
101: aload_3
102: invokeinterface #12, 1 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.close:()V
107: goto 128
110: astore 7
112: aload 4
114: aload 7
116: invokevirtual #14 // Method java/lang/Throwable.addSuppressed:(Ljava/lang/Throwable;)V
119: goto 128
122: aload_3
123: invokeinterface #12, 1 // InterfaceMethod java/util/stream/Stream.close:()V
128: aload 6
130: athrow
131: getstatic #15 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
134: aload_2
135: invokevirtual #16 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
138: invokevirtual #17 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
141: return
...
可以看到java/util/stream/Stream执行forEach之前，首先触发InvokeDynamic以引用Consumer。与此同时会发现大量调用Stream.close与Throwable.addSuppressed的字节码，这是编译器实现 try-with-resources statement 的基本代码。
这是完整的原始代码。
总结
还好字节码指令集简洁，生成指令时几乎少有的编译器优化，反编译类文件可以在没有源码的情况下检查代码，当然如没有源码这也是一种需求！