Android程序员的硬通货——ASM字节码插桩
作者：享学课堂Lance老师
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一、什么是插桩
QQ空间曾经发布的《热修复解决方案》中利用 Javaassist库实现向类的构造函数中插入一段代码解决 CLASS_ISPREVERIFIED问题。包括了Instant Run的实现以及参照Instant Run实现的热修复美团Robus等都利用到了插桩技术。
插桩就是将一段代码插入或者替换原本的代码。字节码插桩顾名思义就是在我们编写的源码编译成字节码（Class）后，在Android下生成dex之前修改Class文件，修改或者增强原有代码逻辑的操作。
我们需要查看方法执行耗时，如果每一个方法都需要自己手动去加入这些内容，当不需要时也需要一个个删去相应的代码。一个、两个方法还好，如果有10个、20个得多麻烦！所以可以利用注解来标记需要插桩的方法，结合编译后操作字节码来帮助我们自动插入，当不需要时关掉插桩即可。这种AOP思想让我们只需要关注插桩代码本身。
二、字节码操作框架
上面我们提到QQ空间使用了 Javaassist来进行字节码插桩，除了 Javaassist之外还有一个应用更为广泛的 ASM框架同样也是字节码操作框架，Instant Run包括 AspectJ就是借助 ASM来实现各自的功能。
我们非常熟悉的JSON格式数据是基于文本的，我们只需要知道它的规则就能够轻松的生成、修改JSON数据。同样的Class字节码也有其自己的规则(格式)。操作JSON可以借助GSON来非常方便的生成、修改JSON数据。而字节码Class，同样可以借助Javassist/ASM来实现对其修改。
字节码操作框架的作用在于生成或者修改Class文件，因此在Android中字节码框架本身是不需要打包进入APK的，只有其生成/修改之后的Class才需要打包进入APK中。它的工作时机在上图Android打包流程中的生成Class之后，打包dex之前。
三、ASM的使用
由于 ASM具有相对于 Javassist更好的性能以及更高的灵活行，我们这篇文章以使用ASM为主。在真正利用到Android中之前，我们可以先在 Java程序中完成对字节码的修改测试。
3.1、在AS中引入ASM
ASM可以直接从 jcenter()仓库中引入，所以我们可以进入:https://bintray.com/进行搜索
点击图中标注的工件进入，可以看到最新的正式版本为：7.1。
因此，我们可以在AS中加入：
同时，需要注意的是：我们使用 testImplementation引入，这表示我们只能在Java的单元测试中使用这个框架，对我们Android中的依赖关系没有任何影响。
AS中使用gradle的Android工程会自动创建Java单元测试与Android单元测试。测试代码分别在test与androidTest。
3.2、准备待插桩Class
在 test/java下面创建一个Java类：
public class InjectTest {
public static void main(String[] args) {
}
}
由于我们操作的是字节码插桩，所以可以进入 test/java下面使用 javac对这个类进行编译生成对应的class文件。
javac InjectTest.java
3.3、执行插桩
因为 main方法中没有任何输出代码，我们输入命令：javaInjectTest执行这个Class不会有任何输出。那么我们接下来利用 ASM，向 main方法中插入一开始图中的记录函数执行时间的日志输出。
在单元测试中写入测试方法
/**
* 1、准备待分析的class
*/
FileInputStream fis = new FileInputStream
("xxxxx/test/java/InjectTest.class");
/**
* 2、执行分析与插桩
*/
//class字节码的读取与分析引擎
ClassReader cr = new ClassReader(fis);
// 写出器 COMPUTE_FRAMES 自动计算所有的内容，后续操作更简单
ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
//分析，处理结果写入cw EXPAND_FRAMES：栈图以扩展格式进行访问
cr.accept(new ClassAdapterVisitor(cw), ClassReader.EXPAND_FRAMES);
/**
* 3、获得结果并输出
*/
byte[] newClassBytes = cw.toByteArray();
File file = new File("xxx/test/java2/");
file.mkdirs();
FileOutputStream fos = new FileOutputStream
("xxx/test/java2/InjectTest.class");
fos.write(newClassBytes);
fos.close();
关于ASM框架本身的设计，我们这里先不讨论。上面的代码会获取上一步生成的class，然后由ASM执行完插桩之后，将结果输出到 test/java2目录下。其中关键点就在于第2步中，如何进行插桩。
把class数据交给 ClassReader，然后进行分析，类似于XML解析，分析结果会以事件驱动的形式告知给accept的第一个参数 ClassAdapterVisitor。
public class ClassAdapterVisitor extends ClassVisitor {
public ClassAdapterVisitor(ClassVisitor cv) {
super(Opcodes.ASM7, cv);
}
@Override
public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature,
String[] exceptions) {
System.out.println("方法:" + name + " 签名:" + desc);
MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, desc, signature,
exceptions);
return new MethodAdapterVisitor(api,mv, access, name, desc);
}
}
分析结果通过 ClassAdapterVisitor获得，一个类中会存在方法、注解、属性等，因此 ClassReader会将调用 ClassAdapterVisitor中对应的 visitMethod、 visitAnnotation、 visitField这些 visitXX方法。
我们的目的是进行函数插桩，因此重写 visitMethod方法，在这个方法中我们返回一个 MethodVisitor方法分析器对象。一个方法的参数、注解以及方法体需要在 MethodVisitor中进行分析与处理。
package com.enjoy.asminject.example;
import com.enjoy.asminject.ASMTest;
import org.objectweb.asm.AnnotationVisitor;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Type;
import org.objectweb.asm.commons.AdviceAdapter;
import org.objectweb.asm.commons.Method;
/**
* AdviceAdapter: 子类
* 对methodVisitor进行了扩展， 能让我们更加轻松的进行方法分析
*/
public class MethodAdapterVisitor extends AdviceAdapter {
private Boolean inject;
protected MethodAdapterVisitor(int api, MethodVisitor methodVisitor, int access, String name, String descriptor) {
super(api, methodVisitor, access, name, descriptor);
}
/**
* 分析方法上面的注解
* 在这里干嘛？？？
*
* 判断当前这个方法是不是使用了injecttime，如果使用了，我们就需要对这个方法插桩
* 没使用，就不管了。
*
* @param desc
* @param visible
* @return
*/
@Override
public AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, Boolean visible) {
if (Type.getDescriptor(ASMTest.class).equals(desc)) {
System.out.println(desc);
inject = true;
}
return super.visitAnnotation(desc, visible);
}
private int start;
@Override
protected void onMethodEnter() {
super.onMethodEnter();
if (inject) {
//执行完了怎么办？记录到本地变量中
invokeStatic(Type.getType("Ljava/lang/System;"),
new Method("currentTimeMillis", "()J"));
start = newLocal(Type.LONG_TYPE);
//创建本地 LONG类型变量
//记录 方法执行结果给创建的本地变量
storeLocal(start);
}
}
@Override
protected void onMethodExit(int opcode) {
super.onMethodExit(opcode);
if (inject){
invokeStatic(Type.getType("Ljava/lang/System;"),
new Method("currentTimeMillis", "()J"));
int end = newLocal(Type.LONG_TYPE);
storeLocal(end);
getStatic(Type.getType("Ljava/lang/System;"),"out",Type.getType("Ljava/io" +
"/PrintStream;"));
//分配内存 并dup压入栈顶让下面的INVOKESPECIAL 知道执行谁的构造方法创建StringBuilder
newInstance(Type.getType("Ljava/lang/StringBuilder;"));
dup();
invokeConstructor(Type.getType("Ljava/lang/StringBuilder;"),new Method("","()V"));
visitLdcInsn("execute:");
invokeVirtual(Type.getType("Ljava/lang/StringBuilder;"),new Method("append","(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;"));
//减法
loadLocal(end);
loadLocal(start);
math(SUB,Type.LONG_TYPE);
invokeVirtual(Type.getType("Ljava/lang/StringBuilder;"),new Method("append","(J)Ljava/lang/StringBuilder;"));
invokeVirtual(Type.getType("Ljava/lang/StringBuilder;"),new Method("toString","()Ljava/lang/String;"));
invokeVirtual(Type.getType("Ljava/io/PrintStream;"),new Method("println","(Ljava/lang/String;)V"));
}
}
}
MethodAdapterVisitor继承自 AdviceAdapter，其实就是 MethodVisitor 的子类， AdviceAdapter封装了指令插入方法，更为直观与简单。
上述代码中 onMethodEnter进入一个方法时候回调，因此在这个方法中插入指令就是在整个方法最开始加入一些代码。我们需要在这个方法中插入 longs=System.currentTimeMillis();。在 onMethodExit中即方法最后插入输出代码。
@Override
protected void onMethodEnter() {
super.onMethodEnter();
if (inject) {
//执行完了怎么办？记录到本地变量中
invokeStatic(Type.getType("Ljava/lang/System;"),
new Method("currentTimeMillis", "()J"));
start = newLocal(Type.LONG_TYPE);
//创建本地 LONG类型变量
//记录 方法执行结果给创建的本地变量
storeLocal(start);
}
}
这里面的代码怎么写？其实就是 longs=System.currentTimeMillis();这句代码的相对的指令。我们可以先写一份代码
void test(){
//插入的代码
long s = System.currentTimeMillis();
/**
* 方法实现代码....
*/
//插入的代码
long e = System.currentTimeMillis();
System.out.println("execute:"+(e-s)+" ms.");
}
然后使用 javac编译成Class再使用 javap-c查看字节码指令。也可以借助插件来查看，就不需要我们手动执行各种命令。
安装完成之后，可以在需要插桩的类源码中点击右键：
点击ASM Bytecode Viewer之后会弹出
所以第20行代码: longs=System.currentTimeMillis();会包含两个指令: INVOKESTATIC与 LSTORE。
再回到 onMethodEnter方法中
@Override
protected void onMethodEnter() {
super.onMethodEnter();
if (inject) {
//invokeStatic指令，调用静态方法
invokeStatic(Type.getType("Ljava/lang/System;"),
new Method("currentTimeMillis", "()J"));
//创建本地 LONG类型变量
start = newLocal(Type.LONG_TYPE);
//store指令 将方法执行结果从操作数栈存储到局部变量
storeLocal(start);
}
}
而 onMethodExit也同样根据指令去编写代码即可。最终执行完插桩之后，我们就可以获得修改后的class数据。
四、Android中的实现
在Android中实现，我们需要考虑的第一个问题是如何获得所有的Class文件来判断是否需要插桩。Transform就是干这件事情的。
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