Android 中使用ASM，对Activity生命周期打点统计

作者: 编程小猪 | 来源:发表于2017-03-23 20:35 被阅读0次

介绍ASM

ASM是一款基于java字节码层面的代码分析和修改工具。无需提供源代码即可对应用嵌入所需debug代码，用于应用API性能分析。ASM可以直接产生二进制class文件，也可以在类被加入JVM之前动态修改类行为。

ASM库结构

Paste_Image.png

Core 为其他包提供基础的读、写、转化Java字节码和定义的API，并且可以生成Java字节码和实现大部分字节码的转换
Tree提供了Java字节码在内存中的表现
Analysis为存储在tree包结构中的java方法字节码提供基本的数据流统计和类型检查算法
Commons提供一些常用的简化字节码生成转化和适配器
Util包含一些帮助类和简单的字节码修改，有利于在开发或者测试中使用
XML提供一个适配器将XML和SAX-comliant转化成字节码结构，可以允许使用XSLT去定义字节码转化。

class文件结构

ASM 是基于java字节码层面的代码分析和修改工具。所以学习ASM之前，还得不下class文件结构，java类型，java方法等知识
Class文件结构如下：

| Header|
| --------- ------ |
| Modifiers, name, super class, interfaces |
| Constant pool: numeric, string and type constants |
| Source file name (optional) |
| Enclosing class reference |
| Annotation* |
| Attribute* |

member	attribute
Inner class*	Name
Field*	Modifiers, name, type
	Annotation*
	Attribute*
Method*	Modifiers, name, return and parameter types
	Annotation*
	Attribute*
	Compiled code

翻译成中文：

| Header|
| --------- ------ |
| Modifiers, name, super class, interfaces 修饰（public/private等），名称，父类，实现的接口 |
| Constant pool: numeric, string and type constants 常量池，数字，字符串，类型常量（枚举类型） |
| Source file name (optional) 原文件名称，（可选） |
| Enclosing class reference 外部类的引用 |
| Annotation* Class的注解 |
| Attribute* Class属性 |

member	attribute
Inner class* 内部类	Name 名称
Field* 成员变量	Modifiers, name, type 修饰符，名称，类型
	Annotation* 注解
	Attribute* 属性
Method* 方法	Modifiers, name, return and parameter types Modifiers, name, return and parameter types 修饰符，名称，返回类型，参数类型
	Annotation* 注解
	Attribute* 类型
	Compiled code 编译的代码

每个类、字段、方法和方法代码的属性有属于自己的名称记录在类文件格式的JVM规范的部分，这些属性展示了字节码多方面的信息，例如源文件名、内部类、签名、代码行数、本地变量表和注释。JVM规范允许定义自定义属性，这些属性会被标准的VM（虚拟机）忽略，但是可以包含附件信息。
方法代码表包含一系列对java虚拟机的指令。有些指令在代码中使用偏移量，当指令从方法代码被插入或者移除时，全部偏移量的值可能需要调整。

原java类型与class文件内部类型对应关系

Java type	Type descriptor
boolean	Z
char	C
byte	B
short	S
int	I
float	F
long	J
double	D
Object	Ljava/lang/Object;
int[]	[I
Object[][]	[[Ljava/lang/Object;

原java方法声明与class文件内部声明的对应关系

Method declaration in source file	Method descriptor
void m(int i, float f)	(IF)V
int m(Object o)	(Ljava/lang/Object;)I
int[] m(int i, String s)	(ILjava/lang/String;)[I
Object m(int[] i)	([I]Ljava/lang/Object;

参数描述在前面，返回值描述在后面

ASM的处理流程，生产者消费者模式

在Core包中逻辑上分为2部分：

字节码生产者，例如ClassReader
字节码消费者，例如writers（ClassWriter, FieldWriter, MethodWriter和AnnotationWriter），adapters（ClassAdapter和MethodAdapter）
下图是生产者和消费者交互的时序图：
官网提供的时序图：

Paste_Image.png

网友画的时序图：

Paste_Image.png

通过时序图可以看出ASM在处理class文件的整个过程。ASM通过树这种数据结构来表示复杂的字节码结构，并利用Push模型来对树进行遍历。

ASM中提供一个ClassReader类，调用accept方法，接受一个实现了抽象类ClassVisitor的对象实例作为参数，然后依次调用ClassVisitor的各个方法。字节码空间上的偏移被转成各种visitXXX方法。使用者只需要在对应的的方法上进行需求操作即可，无需考虑字节偏移。
这个过程中ClassReader可以看作是一个事件生产者，ClassWriter继承自ClassVisitor抽象类，负责将对象化的class文件内容重构成一个二进制格式的class字节码文件，ClassWriter可以看作是一个事件的消费者。

示例：拦截Android中 Activity生命周期方法，执行的时长。

首先定义一个ActivityTimeManager记录方法的使用时长，以onCreate方法为例。

public class ActivityTimeManger {
    public static HashMap<String, Long> startTimeMap = new HashMap<>();
    public static void onCreateStart(Activity activity) {
        startTimeMap.put(activity.toString(), System.currentTimeMillis());
    }
    public static void onCreateEnd(Activity activity) {
        Long startTime = startTimeMap.get(activity.toString());
        if (startTime == null) {
            return;
        }
        long coastTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
        System.out.println(activity.toString() + " onCreate coast Time" + coastTime);
        startTimeMap.remove(activity.toString());
… …
    }

在Activity编译的时候，在onCreate方法中，前后各插入ActivityTimeManger. onCreateStart() 和
ActivityTimeManger. onCreateEnd() 方法
原始的Activity，onCreate方法：

public class TestActivity extends Activity{
    
    public void onCreate() {
        System.out.println("onCreate");
    }
}

使用javap –c 命令查看class文件的字节码，如下：

public com.test.aop.main.TestActivity();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #8                  // Method android/app/Activity."<init>":()V
       4: return

  public void onCreate();
    Code:
       0: getstatic     #15                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #21                 // String onCreate
       5: invokevirtual #22                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return

加上ActivityTimeManger. onCreateStart()，ActivityTimeManger. onCreateEnd()之后的源码如下：

public class TestActivity extends Activity{
    public void onCreate() {
        ActivityTimeManger.onCreateStart(this);
        System.out.println("onCreate");
        ActivityTimeManger.onCreateEnd(this);
    }

使用javap –c 命令查看class文件的字节码，如下：

public com.test.aop.main.TestActivity();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #8                  // Method android/app/Activity."<init>":()V
       4: return

  public void onCreate();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokestatic  #15                 // Method com/test/aop/tools/ActivityTimeManger.onCreateStart:(Landroid/app/Activity;)V
       4: getstatic     #21                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       7: ldc           #27                 // String onCreate
       9: invokevirtual #28                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      12: aload_0
      13: invokestatic  #34                 // Method com/test/aop/tools/ActivityTimeManger.onCreateEnd:(Landroid/app/Activity;)V
      16: return

红色部分是增加ActivityTimeManger. onCreateStart()，ActivityTimeManger. onCreateEnd()2个方法后，增加的字节码。
所以我们怎么使用ASM，对class文件进行修改。把红色部分的字节码插入到class文件中呢？
先输入文件。把class文件重命名为.opt文件，修改完后，再重命名回去。

public static void processClass(File file) {
        System.out.println("start process class " + file.getPath());
        File optClass = new File(file.getParent(), file.getName() + ".opt");
        FileInputStream inputStream = null;
        FileOutputStream outputStream = null;
        try {
            inputStream = new FileInputStream(file);
            outputStream = new FileOutputStream(optClass);
            byte[] bytes = referHack(inputStream);
            outputStream.write(bytes);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (inputStream != null) {
                try {
                    inputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (outputStream != null) {
                try {
                    outputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

        }
        if (file.exists()) {
            file.delete();
        }
        optClass.renameTo(file);
    }

referHack 方法

    private static byte[] referHack(InputStream inputStream) {
        try {
            ClassReader classReader = new ClassReader(inputStream);
            ClassWriter classWriter = new ClassWriter(classReader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
            ClassVisitor changeVisitor = new ChangeVisitor(classWriter);
            classReader.accept(changeVisitor, ClassReader.EXPAND_FRAMES);
            return classWriter.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
        }
        return null;
    }

创建ClassReader，生产者，读出class字节码，输出给ClassWriter消费。
自定义ChangeVisitor 来处理class字节码。

    public static class ChangeVisitor extends ClassVisitor {
   // 记录文件名 
    private String owner;
        private ActivityAnnotationVisitor fileAnnotationVisitor = null;
        public ChangeVisitor(ClassVisitor cv) {
            super(Opcodes.ASM5, cv);
        }

        @Override
        public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName,
                String[] interfaces) {
            super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
            this.owner = name;
        }

        @Override
// 处理class文件的注解
        public AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, boolean visible) {
            System.out.println("visitAnnotation: desc=" + desc + " visible=" + visible);
            AnnotationVisitor annotationVisitor = super.visitAnnotation(desc, visible);
            if (desc != null) {
// 如果注解不是空，传递给ActivityAnnotationVisitor处理。
                fileAnnotationVisitor = new ActivityAnnotationVisitor(Opcodes.ASM5, annotationVisitor, desc);
                return FileAnnotationVisitor;
            }
            return annotationVisitor;
        }
        
        @Override
        public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
// 获取到原始的MethodVisitor
            MethodVisitor mv = this.cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
// 如果文件的注解不为空，说明文件要进行修改。则创建RedefineAdvice，修改方法
            if (fileAnnotationVisitor!= null) {
                return new RedefineAdvice(mv, access, owner, name, desc);
            }
            return mv;
        }
    }

ChangeVisitor，继承ClassVisitor，class文件的访问，可以重写
visitAnnotation(), 获取或者修改注解
visitMethod()，获取或者修改方法
visitField()，获取或者修改成员变量
这段代码的逻辑是：先判断这个class文件是否有注解。如果有注解，则先解析注解。如果注解不为空，则说明有方法需要修改则创建RedefineAdvice，访问和修改方法。
看下ActivityAnnotationVisitor，对注解的访问和解析。

public static class ActivityAnnotationVisitor extends AnnotationVisitor {
        public String desc;
        public String name;
        public String value;

        public ActivityAnnotationVisitor(int api, AnnotationVisitor av, String paramDesc) {
            super(api, av);
            this.desc = paramDesc;
        }

        public void visit(String paramName, Object paramValue) {
            this.name = paramName;
            this.value = paramValue.toString();
            System.out.println("visitAnnotation: name=" + name + " value=" + value);
        }

    }

记录注解的名称和值，描述。
RedefineAdvice，对方法的修改

public static class RedefineAdvice extends AdviceAdapter {
        String owner = "";
        ActivityAnnotationVisitor activityAnnotationVisitor = null;
        protected RedefineAdvice(MethodVisitor mv, int access, String className, String name, String desc) {
            super(Opcodes.ASM5, mv, access, name, desc);
            owner = className;
        }

        @Override
        public AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, boolean visible) {
            System.out.println("visitAnnotation: desc=" + desc + " visible=" + visible);
            AnnotationVisitor annotationVisitor = super.visitAnnotation(desc, visible);
// 先判断方法上是否有注解，如果有注解，则使用ActivityAnnotationVisitor解析注解
            if (desc != null) {
                activityAnnotationVisitor = new ActivityAnnotationVisitor(Opcodes.ASM5, annotationVisitor, desc);
                return activityAnnotationVisitor;
            }
            return annotationVisitor;
        }

        @Override
// 修改方法入口，在方法执行前，插入字节码      
protected void onMethodEnter() {
            if (activityAnnotationVisitor == null) {
                return;
            }
            super.onMethodEnter();
//插入字节码，ALOAD
            mv.visitVarInsn(ALOAD, 0);
//插入字节码INVOKESTATIC，调用ActivityTimeManger.onCreateStart().
// onCreate使用注解写入
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/test/aop/tools/ActivityTimeManger",
                    activityAnnotationVisitor.value+"Start",
                    "(Landroid/app/Activity;)V");
        }

//在方法执行结束前，插入字节码
        @Override
        protected void onMethodExit(int opcode) {
            if (activityAnnotationVisitor == null) {
                return;
            }
            super.onMethodExit(opcode);
//插入字节码，ALOAD
            mv.visitVarInsn(ALOAD, 0);
//插入字节码INVOKESTATIC，调用ActivityTimeManger.onCreateEnd().
// onCreate使用注解写入
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/test/aop/tools/ActivityTimeManger", 
                    activityAnnotationVisitor.value+"End",
                    "(Landroid/app/Activity;)V");
        }
    }

整段代码逻辑是：
先查找方法上的注解，如果方法上有注解，则获取注解的value。在方法执行前后，插入字节码。通过重写onMethodEnter和onMethodExit方法。
所以在原来的TestActivity上，增加注解class注解和方法注解，然后通过processClass（）处理，就能在记录Activity方法执行的时间。

@FileAnnotation("TestActivity")
public class TestActivity extends Activity{
    
    @ActivityAnnotation("onCreate")
    public void onCreate() {
        System.out.println("onCreate");
    }

编译后的class文件，反编译后，结果如下：

@FileAnnotation
public class TestActivity extends Activity {
    @ActivityAnnotation
    public void onCreate() {
        ActivityTimeManger.onCreateStart(this);
        System.out.println("onCreate");
        ActivityTimeManger.onCreateEnd(this);
    }
}

备注：Android App目前大部分都是通过gradle编译。所以以上字节码处理代码，都需要写在自定义的gradle插件中，自定义一个Transform处理。
关于怎么自定义gradle插件和Transform ，可以百度，或者google。这里就不在写了。
以上所有代码链接

Android 中使用ASM，对Activity生命周期打点统计

介绍ASM

ASM库结构

class文件结构

原java类型与class文件内部类型对应关系

原java方法声明与class文件内部声明的对应关系

ASM的处理流程，生产者消费者模式

示例：拦截Android中 Activity生命周期方法，执行的时长。

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