ASM实战统计方法耗时

作者: 神来一巴掌 | 来源:发表于2017-03-07 14:14 被阅读927次

先上demo地址：https://github.com/JeasonWong/CostTime

需求

实际业务开发中有很多需要不改变原业务代码，而需额外增加一些包括各种统计的需求，如APM、无数据埋点等，也就是耳熟能详的AOP，本文以统计方法耗时为例，不使用Aspectj，采用原生态的方式进行实践。

使用者所需要做的就是对所需要统计耗时的方法头部加指定注解@Cost就可以使用了。

目标

不影响现有逻辑
需要统计耗时的方法头部加上注解
支持混淆

方案

方案分两部分，一部分针对JVM，一部分针对Android平台。

JVM

自定义注解
使用ASM增加字节码
反射实例化
使用Instrumentation构建代理

Android

gradle plugin 自定义Transform Api

实践

先让我们的方案能在JVM上运行起来。

自定义注解

@Target(ElementType.METHOD)
public @interface Cost {
}

我们先只对方法进行耗时统计，因此Target设为Method。

使用ASM增加字节码

首先自定义一个ClassVisitor，然后重载visitMethod方法，这样我们便可以遍历所有类文件的方法了，然后利用AdviceAdapter类来重新实例化一个MethodVisitor，并且重载它的visitAnnotation、onMethodEnter、onMethodExit方法，其中含义就如方法名一样简单明了。

然后我们通过visitAnnotation方法来判断当前方法注解是否为我们自定义的注解，如果是指定注解，则插入代码，具体插入代码的内容我们接下来再讲，自定义ClassVisitor的代码如下：

public class CostClassVisitor extends ClassVisitor {

    public CostClassVisitor(ClassVisitor classVisitor) {
        super(Opcodes.ASM5, classVisitor);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
        mv = new AdviceAdapter(Opcodes.ASM5, mv, access, name, desc) {

            private boolean inject = false;

            @Override
            public AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, boolean visible) {
                if (Type.getDescriptor(Cost.class).equals(desc)) {
                    inject = true;
                }
                return super.visitAnnotation(desc, visible);
            }

            @Override
            protected void onMethodEnter() {
                if (inject) {
                    //坐等插代码
                }
            }

            @Override
            protected void onMethodExit(int opcode) {
                if (inject) {
                    //坐等插代码
                }
            }
        };
        return mv;
    }
}

再写ASM插入代码前，我们必须意识到一件事，那就是得知道我们会在onMethodEnter中存一个方法开始时间，再在onMethodExit中存一个方法结束时间，再去相减，那么问题来了，这个时间我们存哪呢？肯定不能是局部变量，因为两个方法间并不会共享局部变量，那么本文是将变量存为静态，方便不同方法间调用，具体可见TimeCache.java，代码比较简单，不多加介绍：

public class TimeCache {

    public static Map<String, Long> sStartTime = new HashMap<>();
    public static Map<String, Long> sEndTime = new HashMap<>();

    public static void setStartTime(String methodName, long time) {
        sStartTime.put(methodName, time);
    }

    public static void setEndTime(String methodName, long time) {
        sEndTime.put(methodName, time);
    }

    public static String getCostTime(String methodName) {
        long start = sStartTime.get(methodName);
        long end = sEndTime.get(methodName);
        return "method: " + methodName + " main " + Long.valueOf(end - start) + " ns";
    }

}

然后便是插入时间统计代码了，我在之前的一篇文章就有介绍过手摸手增加字节码往方法体内插代码，我们可以借助一个intelliJ plugin --
ASM Bytecode Outline来方便我们写ASM代码，先把原java代码写好：

System.out.println("========start=========");
TimeUtil.setsStartTime("newFunc", System.nanoTime());
        
TimeUtil.setEndTime("newFunc", System.nanoTime());
System.out.println(TimeCache.getCostTime("newFunc"));
System.out.println("========end=========");

然后利用插件，生成对应ASM代码，删除掉无用信息后，可得到：

mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
mv.visitLdcInsn("========start=========");
mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);

mv.visitLdcInsn(name);
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "main/java/TimeCache", "setStartTime", "(Ljava/lang/String;J)V", false);

...

mv.visitLdcInsn(name);
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "main/java/TimeCache", "setEndTime", "(Ljava/lang/String;J)V", false);

mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
mv.visitLdcInsn(name);
mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "main/java/TimeCache", "getCostTime", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;", false);
mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);

mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
mv.visitLdcInsn("========end=========");
mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);

那么我们将这部分ASM代码填充到刚刚遗留下来的CostClassVisitor.java里便可。

这样一来，我们的ASM工作已经结束，接下来就是来让插入的方法运行起来。

反射实例化

先来一种简单的方案，就是将我们插入代码后二进制流手动生成.class文件并利用反射实例化它。

首先来看看插入前的代码：

public class Bazhang {

  public void newFunc1(String str) {
    System.out.println(str);
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
      if (i % 10 == 0) {
        System.out.println(i);
      }
      if (i == 50) {
        return;
      }
    }
  }

  @Cost
  public void newFunc2(String str) {
    System.out.println(str);
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
      if (i % 8 == 0) {
        System.out.println(i);
      }
      if (i > 50) {
        return;
      }
    }
  }

}

我给newFunc2方法增加了@Cost注解，但没给newFunc1方法增加，然后开始用ASM提供的类生成插入代码后的二进制流：

ClassReader cr = new ClassReader(Bazhang.class.getName());
ClassWriter cw = new ClassWriter(cr, ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
ClassVisitor cv = new CostClassVisitor(cw);

cr.accept(cv, EXPAND_FRAMES);

// 获取生成的class文件对应的二进制流
byte[] code = cw.toByteArray();

//将二进制流写到out/下
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(System.getProperty("user.dir")
            + "/javademo/build/classes/main/wangyuwei/demo/Bazhang.class");
fos.write(code);
fos.close();

Demo loader = new Demo();
Class hw = loader.defineClass("wangyuwei.demo.Bazhang", code, 0, code.length);
Object o = hw.newInstance();
Method method1 = o.getClass().getMethod("newFunc1", String.class);
method1.invoke(o, "巴掌菜比");
Method method2 = o.getClass().getMethod("newFunc2", String.class);
method2.invoke(o, "巴掌菜比22");

然后run一下，可以得到：

巴掌菜比
0
10
20
30
40
50
========start=========
巴掌菜比22
0
8
16
24
32
40
48
method: newFunc2 main 1647919 ns
========end=========

只对newFunc2做了方法耗时统计。

使用Instrumentation构建代理

Instrumentation是Java5提供的新特性，关于详细介绍，可以查看这篇文章：Java 5 特性 Instrumentation 实践，简单点说就是我们得在JVM执行main函数前动点手脚，自己实现一个代理，在得到虚拟机载入的正常的类的字节码后通过ASM提供的类生成一个插入代码后的字节流再丢给虚拟机，自定义的代理得实现ClassFileTransformer，并且提供premain()方法，写有premain方法的类得在MANIFEST.MF中显示调用，首先来看看我们自定义的代理类：

public class CostClassFileTransformer implements ClassFileTransformer {

    public static void premain(String args, Instrumentation inst) {
        inst.addTransformer(new CostClassFileTransformer());
    }

    @Override
    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
        ClassReader reader = new ClassReader(classfileBuffer);
        ClassWriter writer = new ClassWriter(reader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
        reader.accept(new CostClassVisitor(writer), 8);
        return writer.toByteArray();
    }
}

再看看MANIFEST.MF：

Manifest-Version: 1.0
Premain-Class: wangyuwei.costtime.CostClassFileTransformer

这样写好代理类之后，我们便可以生成一个代理jar，之后为我们运行代码使用，进入module javademo，生成jar可直接使用命令：

jar -cvfm lib/cost-time.jar src/main/META-INF/MANIFEST.MF src/main/java/wangyuwei/costtime/CostClassFileTransformer.class

得到代理jar后，再使用命令行java -javaagent:lib的绝对地址/cost-time.jar Demo2.java运行即可，如果在使用命令行运行时带来了问题，可以直接通过对IntelliJ IDE进行修改：

Windows, Linux, some Macs:

ALT+SHIFT+F10->Right->E->Enter->Tab->enter your command line parameters->Enter.

Mac with "OS X 10.5" key schema:

CTRL+ALT+R->Right->E->Enter->Tab->enter your command line parameters->Enter.

在VM options一栏填入-javaagent:lib/cost-time.jar即可。

以上便是运行在JVM上的操作，然而我们最终的目标是为Android平台所用。

gradle plugin 自定义Transform Api

Transform API允许第三方插件在class文件转为为dex文件前操作编译好的class文件，那么这就是我们的入口，拿到正常的class后再经过ASM插入字节码后得到新的class，再被dx转成dex。

首先自定义个plugin--CostTimePlugin.groovy：

public class CostTimePlugin extends Transform implements Plugin<Project> {
  @Override public void apply(Project project) {

    def android = project.extensions.getByType(AppExtension)
    android.registerTransform(this)
  }

  @Override
  String getName() {
    return "bazhang"
  }

  @Override
  Set<QualifiedContent.ContentType> getInputTypes() {
    return TransformManager.CONTENT_CLASS
  }

  @Override
  Set<QualifiedContent.Scope> getScopes() {
    return TransformManager.SCOPE_FULL_PROJECT
  }

  @Override
  boolean isIncremental() {
    return false
  }

  @Override
  void transform(Context context, Collection<TransformInput> inputs,
      Collection<TransformInput> referencedInputs, TransformOutputProvider outputProvider,
      boolean isIncremental) throws IOException, TransformException, InterruptedException {
    println '//===============asm visit start===============//'

    def startTime = System.currentTimeMillis()

    inputs.each { TransformInput input ->

      input.directoryInputs.each { DirectoryInput directoryInput ->

        //坐等遍历class并被ASM操作

        def dest = outputProvider.getContentLocation(directoryInput.name,
            directoryInput.contentTypes, directoryInput.scopes,
            Format.DIRECTORY)


        FileUtils.copyDirectory(directoryInput.file, dest)
      }

      input.jarInputs.each { JarInput jarInput ->
        def jarName = jarInput.name
        def md5Name = DigestUtils.md5Hex(jarInput.file.getAbsolutePath())
        if (jarName.endsWith(".jar")) {
          jarName = jarName.substring(0, jarName.length() - 4)
        }

        def dest = outputProvider.getContentLocation(jarName + md5Name,
            jarInput.contentTypes, jarInput.scopes, Format.JAR)

        FileUtils.copyFile(jarInput.file, dest)
      }
    }

    def cost = (System.currentTimeMillis() - startTime) / 1000

    println "plugin cost $cost secs"
    println '//===============asm visit end===============//'
  }
}

我们预留了一行注释，去遍历build/intermediates/classes/release/下面生成的所有class，当然R.class、BuildConfig.class这些我们就可以直接跳过，ASM过滤一遍插入新代码之后再去覆盖原class，代码如下：

if (directoryInput.file.isDirectory()) {
    directoryInput.file.eachFileRecurse { File file ->
        def name = file.name
        if (name.endsWith(".class") && !name.startsWith("R\$") &&
            !"R.class".equals(name) && !"BuildConfig.class".equals(name)) {

            println name + ' is changing...'

            ClassReader cr = new ClassReader(file.bytes);
            ClassWriter cw = new ClassWriter(cr, ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
            ClassVisitor cv = new CostClassVisitor(cw);

            cr.accept(cv, EXPAND_FRAMES);

            byte[] code = cw.toByteArray();

            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(
                file.parentFile.absolutePath + File.separator + name);
            fos.write(code);
            fos.close();
        }
    }
}

这样一来，我们可以看看新生成的class是不是有被插入代码。

这是源代码MainActivity.java：

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

  @Override
  protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    setContentView(R.layout.activity_main);
  }

  @Cost
  public void show() {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {

    }
  }
}

这是build/intermediates/classes/release/里的MainActivity.class：

public class MainActivity extends AppCompatActivity {
  public MainActivity() {
  }

  protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    this.setContentView(2130968603);
  }

  @Cost
  public void show() {
    System.out.println("========start=========");
    TimeCache.setStartTime("show", System.nanoTime());

    for(int i = 0; i < 100; ++i) {
      ;
    }

    TimeCache.setEndTime("show", System.nanoTime());
    System.out.println(TimeCache.getCostTime("show"));
    System.out.println("========end=========");
  }
}

而且我们可以看下build过程：

:app:transformClassesWithBazhangForRelease
//===============asm visit start===============//
Demo.class is changing...
MainActivity.class is changing...
plugin cost 0.148 secs
//===============asm visit end===============//
:app:processReleaseJavaRes 
:app:transformResourcesWithMergeJavaResForRelease
:app:transformClassesAndResourcesWithProguardForRelease

我们的class操作是在混淆前的，那么此次AOP也完全不影响正常的混淆，可看混淆后的MainActivity.java：


public class MainActivity extends f {
    protected void onCreate(Bundle bundle) {
        super.onCreate(bundle);
        setContentView((int) R.layout.activity_main);
    }

    @a
    public void p() {
        System.out.println("========start=========");
        b.a("show", System.nanoTime());
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
        }
        b.b("show", System.nanoTime());
        System.out.println(b.a("show"));
        System.out.println("========end=========");
    }
}

尾语

我们采取的方案其实大有可为，计算方法耗时只是冰山一角，包括无数据埋点、性能的监控都是可以继续拓展的。以上方案难免有些漏洞，欢迎指出，有兴趣的朋友可以一起探讨。

ASM实战统计方法耗时

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目标

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使用ASM增加字节码

反射实例化

使用Instrumentation构建代理

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