Android ASM框架详解

作者: wanderingGuy | 来源:发表于2019-12-04 20:18 被阅读0次

前言

在上篇文章中，我们以AspectJ为引子介绍了AOP及其设计思想，传送门Android AspectJ详解，我们用AspectJ可以方便的实现一些简单的代码织入，而不需要关心底层字节码的实现，而ASM则偏向底层一些，ASM提供的API完全是面向Java字节码编程，如果你对Java字节码的结构和原理不甚了解，很难直接上手。

但正是因为ASM的原理是直接操作字节码，那么理论上对字节码的任意修改，都可以用ASM实现。因为无论是哪种AOP技术，最终跑在JVM上的都是class字节码。

而AspectJ所处的位置更偏向应用层，它将操作字节码这件事封装到内部，给外部提供的就是一些筛选切面的注解，并在这个切面下编写java代码，最终是通过AspectJ的ajc编译器实现代码的织入。

文中的ASM项目示例戳这里。

ASM简介

ASM是一个字节码操作框架，可用来动态生成字节码或者对现有的类进行增强。ASM可以直接生成二进制的class字节码，也可以在class被加载进虚拟机前动态改变其行为，比如方法执行前后插入代码，添加成员变量，修改父类，添加接口等等。

ASM官方网站

ASM通过访问者模式依次遍历class字节码中的各个部分，并不断的通过回调的方式通知上层（这有点像SAX解析xml的过程），上层可在业务关心的某个访问点，修改原有逻辑。

之所以可以这么做，是因为java字节码是按照严格的JVM规范生成二进制字节流，ASM只是按照这个规范对java字节码的一次解释，将晦涩难懂的字节码背后对应的JVM指令一条条的转换成ASM API。

比如，一句简单的日志打印

Log.d("tag", " onCreate");

转换成ASM API将会是下面这样：

mv.visitLdcInsn("tag");
mv.visitLdcInsn("onCreate");
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "d", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false);
mv.visitInsn(POP);

如果你稍懂JVM汇编指令的话，可以看出大致意思。

加载常量"tag"入栈
加载常量"onCreate"入栈
执行Log的静态方法d
方法调用出栈

然后我们通过javap指令查看一下这行代码对应的JVM汇编指令,如下图：

字节码.png

这样是不是就很清楚了？就是这四条指令，ASM做的就是按照JVM的规范，生成代码对应的JVM指令并写入字节码文件。

Class字节码结构

上面的例子，用到了javap指令，因此我们首先需要对java字节码结构做一个大致的介绍，这样整个ASM流程最底层的原理就算清楚了。

我们通过javac指令将一个java源文件编译成.class的字节码文件，这个文件直接通过文本编辑器打开将会看到全是16进制的字节码。

class Demo {
    int i = 0;
    public void test() {
        i += 1;
    }
}

class字节码.png

class字节码结构组成结构如图。

字节码组成结构.png

各个部分占用字节大小：

class组成结构.png

其中u1、u2、u4、u8分别代表1个字节、2个字节、4个字节、8个字节的无符号数。无符号数用于描述数字、索引引用、数量值、字符串值。

cp_info、field_info这些以info结尾的是表，一个表由一个或多个元素组成，这里元素可以是常量、字段、方法等等。

Magic魔数：该项存放了一个 Java 类文件的魔数（magic number）和版本信息。一个 Java 类文件的前 4 个字节被称为它的魔数。每个正确的 Java 类文件都是以 0xCAFEBABE 开头的，这样保证了 Java 虚拟机能很轻松的分辨出 Java 文件和非 Java 文件。
Version：包括主版本号和次版本号，该项存放了 Java 类文件的版本信息，类文件的版本信息让虚拟机知道如何去读取并处理该类文件。
Constant Pool：该项存放了类中各种文字字符串、类名、方法名和接口名称、final 变量以及对外部类的引用信息等常量。虚拟机必须为每一个被装载的类维护一个常量池，常量池中存储了相应类型所用到的所有类型、字段和方法的符号引用。常量池的大小平均占到了整个类大小的 60% 左右。
Access_flag：该项指明了该文件中定义的是类还是接口（一个 class 文件中只能有一个类或接口），同时还指名了类或接口的访问标志，如 public，private, abstract 等信息。
This Class：指向表示该类全限定名称的字符串常量的指针。
Super Class：指向表示父类全限定名称的字符串常量的指针。
Interfaces：一个指针数组，存放了该类或父类实现的所有接口名称的字符串常量的指针。
Fields：该项对类或接口中声明的字段进行了细致的描述。需要注意的是，fields 列表中仅列出了本类或接口中的字段，并不包括从超类和父接口继承而来的字段。
Methods：该项对类或接口中声明的方法进行了细致的描述。例如方法的名称、参数和返回值类型等。需要注意的是，methods 列表里仅存放了本类或本接口中的方法，并不包括从超类和父接口继承而来的方法。
Class attributes：该项存放了在该文件中类或接口所定义的属性的基本信息。

比如按我们Demo.class字节码的信息，cafe babe是魔数，按表顺序后面跟的四个字节0000 0034是分别是次版本和主版本，转换成10进制是52.0，查看java虚拟机版本映射关系表，52表示JDK 1.8，也就是该类是用JDK 1.8进行编译的。

之后的两个字节0012表示常量池大小，为十进制的18，由于常量池常量下标从1开始，也就是有17个常量。

0a00后面的内容就是第一个具体的常量信息。

常量分为两类字面量和符号引用

字面量：与Java语言层面的常量概念相近，包含文本字符串、声明为final的常量值等。
符号引用：编译语言层面的概念，包括以下3类：
- 类和接口的全限定名
- 字段的名称和描述符
- 方法的名称和描述符

0a对应十进制的10，10表示MethodRef，即方法引用。

字节码结构的后续内容较多，并不是本文重点，不再展开，除此之外还需要掌握JVM常见的指令，比如aload、invokespecial、ldc等等，感兴趣的小伙伴可参考认识 .class 文件的字节码结构，补充学习。

但在目前，即使我们不懂这些也不妨碍我们开发，因为ASM提供了相应工具帮助我们编写ASM API代码，莫慌~~

javap

字节码严格遵守着JVM规范，直接读字节码文件是疯狂的事情，我们可通过javap指令可以将字节码反编译成易懂的汇编指令。

javap -v Demo.class

-v 表示verbose，将会打印行号+本地变量表信息+反编译汇编代码+常量池等全部信息。

javap -l 行号+本地变量表
javap -c 反编译汇编代码Code区。

在Android Studio中，可通过jclasslib插件查看更清晰。

jclasslib.png

ASM API

ASM通过访问者模式，将类文件的内容从头到尾扫描一遍，每次扫描到相应内容时，会回调ClassVisitor内部相应的方法。

常见的visitor如下表。

类型	visitor
Class	ClassVisitor
Field	FieldVisitor
Method	MethodVisitor
Annotation	AnnotationVisitor

ClassVisitor的调用顺序为：

visit 
visitSource? 
visitOuterClass? 
( visitAnnotation | visitAttribute )*
( visitInnerClass | visitField | visitMethod )*
visitEnd

MethodVisitor的调用顺序为：

visitAnnotationDefault?
( visitAnnotation | visitParameterAnnotation | visitAttribute )*
( visitCode
    ( visitTryCatchBlock | visitLabel | visitFrame | visitXxxInsn |
    visitLocalVariable | visitLineNumber )*
visitMaxs )?
visitEnd

完整的访问顺序我们可以通过时序图了解：

Visitor时序图.png

ClassReader/ClassWriter

ClassReader可以方便地让我们对class文件进行读取与解析，解析到某一个结构就会通知到ClassVisitor的相应方法，比如解析到类方法时，就会回调ClassVisitor.visitMethod方法。

我们可以通过更改ClassVisitor中相应结构方法返回值，实现对类的代码切入，比如更改ClassVisitor.visitMethod()方法的返回值MethodVisitor实例。

通过ClassWriter的toByteArray()方法，得到class文件的字节码内容，最后通过文件流写入方式覆盖掉原先的内容，实现class文件的改写。

我们举个例子，我们想为FragmentActivity这个类的onCreate方法中添加一段日志打印，可以按下面的步骤。

//创建ClassReader，传入class字节码的输入流
ClassReader classReader = new ClassReader(IOUtils.toByteArray(inputStream))
//创建ClassWriter，绑定classReader
ClassWriter classWriter = new ClassWriter(classReader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS)
//创建自定义的LifecycleClassVisitor，并绑定classWriter
ClassVisitor cv = new LifecycleClassVisitor(classWriter)
//接受一个实现了 ClassVisitor接口的对象实例作为参数，然后依次调用 ClassVisitor接口的各个方法
classReader.accept(cv, EXPAND_FRAMES)
//toByteArray方法会将最终修改的字节码以 byte 数组形式返回。
byte[] code = classWriter.toByteArray()

最终code就是修改后的字节码数组。

我们可以将它写入文件输出到本地。

File file = new File("Test.class");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
fos.write(classFile);
fos.close();

在Android体系下我们通过Gradle Transform工具，在java代码编译成.class文件之后，.class优化为.dex文件前将代码织入。
使用Transform需要开发一个自定义的gradle plugin，plugin的开发不是本文的核心，我们暂且跳过。

我们只需要知道在一次transform过程中，Gradle会将本地工程中编译的代码、jar包 / aar包 / 依赖的三方库中的代码，作为输入源交由我们的插件处理，这也就是说ASM同样可以对工程外部的类进行修改或织入。

如果我们需要在指定的类，指定的方法中织入代码，需要编写相应的过滤条件，这也是相比于AspectJ而言不太方便的地方，AspectJ可通过声明切面注解完成精准的织入。

下面举个例子，假设我们想在FragmentActivity的onCreate方法执行前打印一行日志，可以这么做。

创建LifecycleClassVisitor类继承于ClassVisitor，复写visitMethod方法。

public class LifecycleClassVisitor extends ClassVisitor implements Opcodes {
    ...

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
        //匹配FragmentActivity
        if ("android/support/v4/app/FragmentActivity".equals(this.mClassName)) {
            if ("onCreate".equals(name) ) {
                //处理onCreate
                return new LifecycleOnCreateMethodVisitor(mv);
            }
        }
        return mv;
    }
}

访问到onCreate这个方法时，我们需要继续自定义一个MethodVisitor，告诉ASM你想如何处理这个方法。

根据上述的访问时序图我们知道，在方法访问开始时会回调MethodVisitor的visitCode方法，因此我们复写此方法后将会在onCreate方法开头织入代码。

public class LifecycleOnCreateMethodVisitor extends MethodVisitor {
    ...
    @Override
    public void visitCode() {
        super.visitCode();
        //方法执行前插入
        mv.visitLdcInsn("tag");
        mv.visitLdcInsn("onCreate start");
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "d", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false);
        mv.visitInsn(POP);
    }

    @Override
    public void visitInsn(int opcode) {
        //方法执行后插入
        if (opcode == Opcodes.RETURN) {
            mv.visitLdcInsn("tag");
            mv.visitLdcInsn("onCreate end");
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "d", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false);
            mv.visitInsn(POP);
        }
        super.visitInsn(opcode);

    }

    @Override
    public void visitEnd() {
        super.visitEnd();
        //warn 若想在方法最后织入代码，写在这里是无效的
    }
}

这里值得注意的是若想在方法最后织入代码，写在visitEnd方法内是无效的，回调它的时候类已经访问结束了。
我们只能迂回解决，我们知道方法执行结束前都会有一个return指令，如果你的方法返回值为void，那编译成字节码时会默认补上一个return指令。
return指令根据返回对象的类型不同，会有不同的指令，比如：

areturn 返回值类型为对象类型
ireturn 返回值类型为int
lreturn 返回值类型为long

由于我们知道onCreate方法的返回值就是空，所以我们只需要捕获这个return指令就可以了。
这里的指令范围非常广，比如加减乘除、条件判断、aload等等，这些指令常量被封装到Opcodes类中。

访问者模式为指令提供的回调就是visitInsn方法，因此就有了上面visitInsn方法的代码。

由于在方法前后插入代码这种需求很常见，而上述模板代码写起来又太难看，因此ASM还提供了一个AdviceAdapter类，对一些常见的切面做了二次封装。

如果我们用AdviceAdapter编写上述代码会变得更直观清爽。

public class OnCreateMethodAdapter extends AdviceAdapter {
    ...

    @Override
    protected void onMethodEnter() {
        super.onMethodEnter();
        //方法开头织入代码
        mv.visitLdcInsn("tag");
        mv.visitLdcInsn("onCreate start");
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "d", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false);
        mv.visitInsn(POP);

    }

    @Override
    protected void onMethodExit(int opcode) {
        //方法末尾织入代码
    }

}

ok，到这里我们以在某个方法前后织入一段代码的例子讲完了，ASM能实现关于字节码的任何修改，其中涉及的API可以十分复杂，对于比如修改类名、添加方法等，最好通过查阅ASM官方文档完成开发。

ASM Bytecode Outline插件

考虑到直接使用ASM API编写JVM指令比较困难，因此官方提供了一个插件帮助我们完成API的编写。

asm_outline.png

我们只需要先在任意位置编写需要织入的java代码，然后便可通过这个插件生成对应的ASM代码，爱了爱了...

ASM的优缺点

虽然ASM很强大，但如果你使用了AspectJ之后再开看ASM，就会发现有一些新的问题。

过滤类和方法需要硬编码，且不够灵活，需要对插件进行二次封装，而在AspectJ中已经封装好了切面表达式。
很难实现在方法调用前后织入新的代码，而在AspectJ中一个call关键字就解决了。

不过，ASM优点更加明显：

由于直接操作的是字节码，因此相比其他框架效率更高。
从ASM5开始已经支持Java8的部分语法，比如lamabda表达式。
因为ASM偏向底层，很多其他的上层框架也以ASM作为其底层操作字节码的技术栈，比如Groovy、cglib。

Android ASM框架详解

前言

ASM简介

Class字节码结构

javap

ASM API

ClassReader/ClassWriter

ASM Bytecode Outline插件

ASM的优缺点

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