Pull to refresh

Как растаращить class-файл

Abnormal programmingJavaDelirium coding
Обычно при компиляции Java-файла получаются .class-файлы примерно того же размера, что и исходник. Меня заинтересовало, можно ли по небольшому исходнику сделать .class-файл, который больше, сильно больше исходника.

Можно поискать какие-то короткие конструкции языка, которые компилируются в длинные цепочки байткода, но линейный прирост меня не устраивал. Я сразу подумал про компиляцию finally-блоков: про неё уже писали на Хабре. Если вкратце, то для каждого finally-блока при непустом try-блоке создаётся минимум два варианта в байткоде: для случая нормального завершения try-блока и для случая завершения с исключением. В последнем случае исключение сохраняется в новую локальную переменную, выполняется код finally, затем исключение достаётся из локальной переменной и перебрасывается. А что если внутри finally снова разместить try-finally и так далее? Результат превзошёл все ожидания.

Я компилировал с помощью Oracle javac 1.7.0.60 и 1.8.0.25, результаты практически не отличались. Путь для исключения формируется даже в том случае, если в блоке try совсем ничего предосудительного. Например, присваивание целочисленной константы в локальную переменную — это две инструкции iconst и istore, ни про одну из них в спецификации не сказано, что они могут сгенерировать исключение. Так и будем писать:
class A {{
  int a;
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  try {a=0;} finally {
  a=0;
  }}}}}}}}}}}}
}}

Добавление нового нетривиального кода в самый внутренний finally вызывает ошибку компиляции code too large, поэтому ограничимся таким. Если кто-то подзабыл, это у нас блок инициализации, который подклеивается к каждому конструктору. Для нашей задачи метод объявлять смысла нет.

Такой исходник занимает 336 байт, а получившийся class-файл растаращило до 6 571 429 байт, то есть в 19 557 раз (назовём это коэффициентом растаращивания). Даже при отключении всей отладочной информации с помощью -g:none class-файл весит 6 522 221 байт, что ненамного меньше. Посмотрим, что внутри с помощью утилиты javap.

Пул констант

Пул констант получился небольшой: всего 16 записей. По сути всё самое необходимое: имена атрибутов типа Code, имя класса, Java-файла, ссылка на конструктор родительского класса Object и т. д. При отключении отладочной информации исчезают три записи: имена атрибутов LineNumberTable, SourceFile и значение A.java для атрибута SourceFile.

Код

Код конструктора по умолчанию составил 64507 байт, почти упираясь в максимально допустимый предел. Начинается он с нормального выполнения:
Код
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: iconst_0
         5: istore_1
         6: iconst_0
         7: istore_1
         8: iconst_0
         9: istore_1
        10: iconst_0
        11: istore_1
        12: iconst_0
        13: istore_1
        14: iconst_0
        15: istore_1
        16: iconst_0
        17: istore_1
        18: iconst_0
        19: istore_1
        20: iconst_0
        21: istore_1
        22: iconst_0
        23: istore_1
        24: iconst_0
        25: istore_1
        26: iconst_0
        27: istore_1
        28: iconst_0
        29: istore_1
        30: goto          38

То есть вызывается конструктор родительского класса, а затем 13 раз записывается единица в первую локальную переменную. После этого начинается длинная цепочка goto, которая обходит мимо всех остальных копий finally: 30->38->58->104->198->388->770->1536->3074->7168->15358->31740->64506, а по адресу 64506 мы находим долгожданную инструкцию return.

В промежутках между этими goto всевозможные комбинации нормальных и исключительных завершений каждого блока try. Неожиданным оказалось то, что для каждого finally, обрабатывающего исключение, для хранения исключения создаётся новая локальная переменная, даже если блоки заведомо взаимоисключающие. Из-за этого коду требуется 4097 локальных переменных. Небольшая статистика по инструкциям:

  • iconst_1 — 8191 раз
  • istore_1 — 8191 раз
  • goto — 4095 раз
  • athrow — 4095 раз
  • astore_2/aload_2 — 1 раз
  • astore_3/aload_3 — 1 раз
  • astore/aload — 252 раза (локальные переменные с номерами от 4 до 255)
  • astore_w/aload_w — 3841 раз (локальные переменные с номерами больше 255)

Плюс один aload_0, один invokespecial и один return — итого 32765 инструкций. Желающие могут нарисовать граф потока управления и повесить на стенку.

Таблица исключений

Таблица исключений содержит записи вида (start_pc, end_pc, handler_pc, catch_type) и говорит виртуальной машине «если при выполнении инструкций от адреса start_pc до адреса end_pc произошло исключение типа catch_type, то передай управление на адрес handler_pc». В данном случае catch_type везде равен any, то есть исключения любого типа. Записей в таблице 8188 и занимает она примерно столько же, сколько и код — около 64 килобайт. Начало выглядит так:
         from    to  target type
            26    28    33   any
            24    26    41   any
            42    44    49   any
            49    51    49   any
            22    24    61   any


Таблица номеров строк

Таблица номеров строк — это отладочная информация, сопоставляющая адресам инструкций байткода номера строк в исходнике. В ней 12288 записей и чаще всего попадаются ссылки на строчку с самым внутренним finally. Занимает она около 48 килобайт.

StackMapTable

Куда же ушло всё остальное место? Его заняла таблица StackMapTable, которая необходима для верификации class-файла. Если совсем грубо, для каждой точки ветвления в коде эта таблица содержит типы элементов в стеке и типы локальных переменных в данной точке. Так как локальных переменных у нас очень много и точек ветвления тоже, размер этой таблицы растёт квадратично от размера кода. Если бы локальные переменные для исключений в непересекающихся ветках переиспользовались, их бы потребовалось всего 13 и таблица StackMapTable была бы куда скромнее по размерам.

Таращим дальше

Можно ли растаращить class-файл ещё сильнее? Конечно, можно раскопировать метод, содержащий вложенные try-finally. Но компилятор вполне может сделать это за нас. Вспомните, что блок инициализации приклеивается к каждому конструктору автоматически. Достаточно добавить в код много пустых конструкторов с разными сигнатурами. Здесь будьте осторожны, а то у компилятора кончится память. Ну вот так можно скромненько написать, упаковав код в одну строчку:

class A{{int a;try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{try{a=0;}finally{a=0;}}}}}}}}}}}}}A(){}A(int a){}A(char a){}A(double a){}A(float a){}A(long a){}A(short a){}A(boolean a){}A(String a){}A(Integer a){}A(Float a){}A(Short a){}A(Long a){}A(Double a){}A(Boolean a){}A(Character a){}}

Здесь у меня 16 конструкторов, исходник занимает 430 байт. После компиляции имеем 104 450 071 байт, коэффициент растаращивания составил 242 907. И это не предел!
Tags:познавательнопятницабайткодfinallyjavaclass-файлjvm
Hubs: Abnormal programming Java Delirium coding
Total votes 111: ↑106 and ↓5 +101
Views43.1K

Popular right now