32 - ASM之Class Transformation的原理

作者: 舍是境界 | 来源:发表于2022-02-12 07:33 被阅读0次

Class-Reader/Visitor/Writer

我们使用ClassReader、ClassVisitor和ClassWriter类来进行Class Transformation操作的整体思路是这样的：

ClassReader --> ClassVisitor(1) --> ... --> ClassVisitor(N) --> ClassWriter

其中，ClassReader类负责“读”Class，ClassWriter负责“写”Class，而ClassVisitor则负责进行“转换”（Transformation）。在Class Transformation过程中，可以有多个ClassVisitor参与。不过要注意，ClassVisitor类是一个抽象类，我们需要写代码来实现一个ClassVisitor类的子类才能使用。

class transform

为了解释清楚Class Transformation是如何工作的，我们从两个问题来入手：

第一个问题，在编写代码的时候（程序未运行），ClassReader、ClassVisitor和ClassWriter三个类的实例之间，是如何建立联系的？
第二个问题，在执行代码的时候（程序开始运行），类内部visitXxx()方法的调用顺序是什么样的？

建立联系

我们在进行Class Transformation操作时，一般是这样写代码的：

import lsieun.utils.FileUtils;
import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.Opcodes;

public class HelloWorldTransformCore {
    public static void main(String[] args) {
        String relative_path = "sample/HelloWorld.class";
        String filepath = FileUtils.getFilePath(relative_path);
        byte[] bytes1 = FileUtils.readBytes(filepath);

        //（1）构建ClassReader
        ClassReader cr = new ClassReader(bytes1);

        //（2）构建ClassWriter
        ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);

        //（3）串连ClassVisitor
        int api = Opcodes.ASM9;
        ClassVisitor cv1 = new ClassVisitor1(api, cw);
        ClassVisitor cv2 = new ClassVisitor2(api, cv1);
        // ...
        ClassVisitor cvn = new ClassVisitorN(api, cvm);

        //（4）结合ClassReader和ClassVisitor
        int parsingOptions = ClassReader.SKIP_DEBUG | ClassReader.SKIP_FRAMES;
        cr.accept(cvn, parsingOptions);

        //（5）生成byte[]
        byte[] bytes2 = cw.toByteArray();

        FileUtils.writeBytes(filepath, bytes2);
    }
}

ClassReader-ClassVisitor

第一步，将ClassReader类与ClassVisitor类建立联系是通过ClassReader.accept()方法实现的。

public void accept(ClassVisitor classVisitor, int parsingOptions)

在accept()方法中，ClassReader类会不断调用ClassVisitor类当中的visitXxx()方法。

public void accept(ClassVisitor classVisitor, int parsingOptions) {
    //......
    classVisitor.visit(readInt(cpInfoOffsets[1] - 7), accessFlags, thisClass, signature, superClass, interfaces);
    //...

    // Visit the fields and methods.
    int fieldsCount = readUnsignedShort(currentOffset);
    currentOffset += 2;
    while (fieldsCount-- > 0) {
        currentOffset = readField(classVisitor, context, currentOffset);
    }

    int methodsCount = readUnsignedShort(currentOffset);
    currentOffset += 2;
    while (methodsCount-- > 0) {
        currentOffset = readMethod(classVisitor, context, currentOffset);
    }

    // Visit the end of the class.
    classVisitor.visitEnd();
}

ClassVisitor-ClassVisitor

第二步，就是将一个ClassVisitor类与另一个ClassVisitor类建立联系。因为在进行Class Transformation的过程中，可能需要多个ClassVisitor类的参与。

当前ClassVisitor类与下一个ClassVisitor类建立初步联系，是通过构造方法来实现的：

public abstract class ClassVisitor {
    protected final int api;
    protected ClassVisitor cv;

    public ClassVisitor(final int api, final ClassVisitor classVisitor) {
        this.api = api;
        this.cv = classVisitor;
    }
}

当前ClassVisitor类与下一个ClassVisitor类建立后续联系，是通过visitXxx()方法来实现的：

public abstract class ClassVisitor {
    public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) {
        if (cv != null) {
            cv.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
        }
    }

    public FieldVisitor visitField(int access, String name, String descriptor, String signature, Object value) {
        if (cv != null) {
            return cv.visitField(access, name, descriptor, signature, value);
        }
        return null;
    }

    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        if (cv != null) {
            return cv.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        }
        return null;
    }

    public void visitEnd() {
        if (cv != null) {
            cv.visitEnd();
        }
    }
}

ClassVisitor-ClassWriter

第三步，就是将一个ClassVisitor类与一个ClassWriter类建立联系。由于ClassWriter类是继承自ClassVisitor类，所以第三步的原理和第二步的原理是一样的。不过，ClassWriter类是一个特殊的ClassVisitor类，它的主要作用是得到一个符合ClassFile结构的字节数组（byte[]）。

执行顺序

对于Class Transformation来说，它具体的代码执行顺序如下图所示：

执行顺序

为了方便理解代码的执行顺序，我们也结合生活当中的一些经验，来进行这样的类比：在生活当中，天下降下了雨水，这些雨水会慢慢的向下ssR，穿过不同的地层，最后形成地下水；这种“雨水向下ssR，穿过不同地层”的形式，它与多个ClassVisitor对象调用同名的visitXxx()方法是非常相似的。

顺序示意图

第一步，可以将ClassReader类想像成最上面的土层
第二步，可以将ClassWriter类想像成最下面的土层
第三步，可以将ClassVisitor类想像成中间的多个土层

当调用visitXxx()方法的时，就像水在多个土层之间ssR：由最上面的ClassReader“土层”开始，经历一个一个的ClassVisitor中间“土层”，最后进入最下面的ClassWriter“土层”。

执行顺序的代码演示

为了查看代码的执行顺序，我们可以添加一个自定义的ClassVisitor类。在这个类当中，我们可以添加一些打印语句，将类名、方法名以及方法的接收的参数都打印出来，这样我们就能知道代码的执行过程了。

首先，我们来定义一个InfoClassVisitor类，它继承自ClassVisitor；在InfoClassVisitor类当中，我们只打印了visit()、visitField()、visitMethod()和visitEnd()这4个方法的信息。

在visitField()方法中，我们自定义了一个InfoFieldVisitor对象
在visitMethod()方法中，我们也自定义了一个InfoMethodVisitor对象

另外，在InfoClassVisitor类当中，也定义了一个getAccess()方法，为了简便，我们只判断了public、protected和private标识符。大家可以根据自己的兴趣，来对这个类进行扩展。

import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.FieldVisitor;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class InfoClassVisitor extends ClassVisitor {
    public InfoClassVisitor(int api, ClassVisitor classVisitor) {
        super(api, classVisitor);
    }

    @Override
    public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) {
        String line = String.format("ClassVisitor.visit(%d, %s, %s, %s, %s, %s);", 
                                    version, getAccess(access), name, signature, superName, Arrays.toString(interfaces));
        System.out.println(line);
        super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
    }

    @Override
    public FieldVisitor visitField(int access, String name, String descriptor, String signature, Object value) {
        String line = String.format("ClassVisitor.visitField(%s, %s, %s, %s, %s);", 
                                    getAccess(access), name, descriptor, signature, value);
        System.out.println(line);

        FieldVisitor fv = super.visitField(access, name, descriptor, signature, value);
        return new InfoFieldVisitor(api, fv);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        String line = String.format("ClassVisitor.visitMethod(%s, %s, %s, %s, %s);",
                                    getAccess(access), name, descriptor, signature, exceptions);
        System.out.println(line);

        MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        return new InfoMethodVisitor(api, mv);
    }

    @Override
    public void visitEnd() {
        String line = String.format("ClassVisitor.visitEnd();");
        System.out.println(line);
        super.visitEnd();
    }

    private String getAccess(int access) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        if ((access & Opcodes.ACC_PUBLIC) != 0) {
            list.add("ACC_PUBLIC");
        }
        else if ((access & Opcodes.ACC_PROTECTED) != 0) {
            list.add("ACC_PROTECTED");
        }
        else if ((access & Opcodes.ACC_PRIVATE) != 0) {
            list.add("ACC_PRIVATE");
        }
        return list.toString();
    }
}

接着，是我们的InfoFieldVisitor类，它继承自FieldVisitor类。这个类很简单，它只打印其中的visitEnd()方法。

import org.objectweb.asm.FieldVisitor;

public class InfoFieldVisitor extends FieldVisitor {
    public InfoFieldVisitor(int api, FieldVisitor fieldVisitor) {
        super(api, fieldVisitor);
    }

    @Override
    public void visitEnd() {
        String line = String.format("    FieldVisitor.visitEnd();");
        System.out.println(line);
        super.visitEnd();
    }
}

再接下来，是我们的InfoMethodVisitor类，它继承自MethodVisitor类。在这个类当中，我们打印的方法比较多，但是想将这些方法呈现为4个类型：

visitCode()
visitXxxInsn()
visitMaxs()
visitEnd()

import org.objectweb.asm.Label;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.util.Printer;

public class InfoMethodVisitor extends MethodVisitor {
    public InfoMethodVisitor(int api, MethodVisitor methodVisitor) {
        super(api, methodVisitor);
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitCode();");
        System.out.println(line);
        super.visitCode();
    }

    @Override
    public void visitInsn(int opcode) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitInsn(%s);", Printer.OPCODES[opcode]);
        System.out.println(line);
        super.visitInsn(opcode);
    }

    @Override
    public void visitIntInsn(int opcode, int operand) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitIntInsn(%s, %s);", Printer.OPCODES[opcode], operand);
        System.out.println(line);
        super.visitIntInsn(opcode, operand);
    }

    @Override
    public void visitVarInsn(int opcode, int var) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitVarInsn(%s, %s);", Printer.OPCODES[opcode], var);
        System.out.println(line);
        super.visitVarInsn(opcode, var);
    }

    @Override
    public void visitTypeInsn(int opcode, String type) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitTypeInsn(%s, %s);", Printer.OPCODES[opcode], type);
        System.out.println(line);
        super.visitTypeInsn(opcode, type);
    }

    @Override
    public void visitFieldInsn(int opcode, String owner, String name, String descriptor) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitFieldInsn(%s, %s, %s, %s);",
                                    Printer.OPCODES[opcode], owner, name, descriptor);
        System.out.println(line);
        super.visitFieldInsn(opcode, owner, name, descriptor);
    }

    @Override
    public void visitMethodInsn(int opcode, String owner, String name, String descriptor, boolean isInterface) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitMethodInsn(%s, %s, %s, %s, %s);",
                                    Printer.OPCODES[opcode], owner, name, descriptor, isInterface);
        System.out.println(line);
        super.visitMethodInsn(opcode, owner, name, descriptor, isInterface);
    }

    @Override
    public void visitJumpInsn(int opcode, Label label) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitJumpInsn(%s, %s);", Printer.OPCODES[opcode], label);
        System.out.println(line);
        super.visitJumpInsn(opcode, label);
    }

    @Override
    public void visitLabel(Label label) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitLabel(%s);", label);
        System.out.println(line);
        super.visitLabel(label);
    }

    @Override
    public void visitLdcInsn(Object value) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitLdcInsn(%s);", value);
        System.out.println(line);
        super.visitLdcInsn(value);
    }

    @Override
    public void visitIincInsn(int var, int increment) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitIincInsn(%s, %s);", var, increment);
        System.out.println(line);
        super.visitIincInsn(var, increment);
    }

    @Override
    public void visitMaxs(int maxStack, int maxLocals) {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitMaxs(%s, %s);", maxStack, maxLocals);
        System.out.println(line);
        super.visitMaxs(maxStack, maxLocals);
    }

    @Override
    public void visitEnd() {
        String line = String.format("    MethodVisitor.visitEnd();");
        System.out.println(line);
        super.visitEnd();
    }
}

现在，准备工作已经做好了，我们只需要将自定义的InfoClassVisitor类加入到Class Transformation的过程中就可以了：

import lsieun.core.info.InfoClassVisitor;
import lsieun.utils.FileUtils;
import org.objectweb.asm.*;

public class HelloWorldTransformCore {
    public static void main(String[] args) {
        String relative_path = "sample/HelloWorld.class";
        String filepath = FileUtils.getFilePath(relative_path);
        byte[] bytes1 = FileUtils.readBytes(filepath);

        //（1）构建ClassReader
        ClassReader cr = new ClassReader(bytes1);

        //（2）构建ClassWriter
        ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);

        //（3）串连ClassVisitor
        int api = Opcodes.ASM9;
        ClassVisitor cv = new InfoClassVisitor(api, cw);

        //（4）结合ClassReader和ClassVisitor
        int parsingOptions = ClassReader.SKIP_DEBUG | ClassReader.SKIP_FRAMES;
        cr.accept(cv, parsingOptions);

        //（5）生成byte[]
        byte[] bytes2 = cw.toByteArray();

        FileUtils.writeBytes(filepath, bytes2);
    }
}

准备一个示例代码：

public class HelloWorld {
    public int intValue;
    public String strValue;

    public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public int sub(int a, int b) {
        return a - b;
    }
}

输出结果：

ClassVisitor.visit(52, [ACC_PUBLIC], sample/HelloWorld, null, java/lang/Object, []);
ClassVisitor.visitField([ACC_PUBLIC], intValue, I, null, null);
    FieldVisitor.visitEnd();
ClassVisitor.visitField([ACC_PUBLIC], strValue, Ljava/lang/String;, null, null);
    FieldVisitor.visitEnd();
ClassVisitor.visitMethod([ACC_PUBLIC], <init>, ()V, null, null);
    MethodVisitor.visitCode();
    MethodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 0);
    MethodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, java/lang/Object, <init>, ()V, false);
    MethodVisitor.visitInsn(RETURN);
    MethodVisitor.visitMaxs(1, 1);
    MethodVisitor.visitEnd();
ClassVisitor.visitMethod([ACC_PUBLIC], add, (II)I, null, null);
    MethodVisitor.visitCode();
    MethodVisitor.visitVarInsn(ILOAD, 1);
    MethodVisitor.visitVarInsn(ILOAD, 2);
    MethodVisitor.visitInsn(IADD);
    MethodVisitor.visitInsn(IRETURN);
    MethodVisitor.visitMaxs(2, 3);
    MethodVisitor.visitEnd();
ClassVisitor.visitMethod([ACC_PUBLIC], sub, (II)I, null, null);
    MethodVisitor.visitCode();
    MethodVisitor.visitVarInsn(ILOAD, 1);
    MethodVisitor.visitVarInsn(ILOAD, 2);
    MethodVisitor.visitInsn(ISUB);
    MethodVisitor.visitInsn(IRETURN);
    MethodVisitor.visitMaxs(2, 3);
    MethodVisitor.visitEnd();
ClassVisitor.visitEnd();

串联的Field/MethodVisitors

经过上面内容的讲解，相信大家已经了解到多个ClassVisitor之间是相互连接的，或者说是串联到一起的。

classvistor串联示意图

其实，还有一些“细微之处”的连接，我们也要注意到：不同ClassVisitor对象里，对应同一个字段的多个FieldVisitor对象，也是串联到一起；不同ClassVisitor对象里，对应同一个方法的多个MethodVisitor对象，也是串联到一起，如下图所示。

methodvistor串联示意图

我们在讲删除“字段”和删除“方法”的时候，就是其中的某一个FieldVisitor或MethodVisitor不工作了，也就是不向后“传递数据”了，那么，相应的“字段”和“方法”就丢失了，就达到了“删除”的效果。类似的，添加“字段”和“方法”，其实就是“传递了额外的数据”，那么就会出现新的字段和方法，就达到了添加字段和方法的效果。

Class Transformation的本质

对于Class Transformation来说，它的本质就是“中间人公（攻）鸡（击）”（Man-in-the-middle attack）。

在 Wiki当中，是这样描述Man-in-the-middle attack的：

In cryptography and computer security, a man-in-the-middle(MITM) attack is a cyberattack where the attacker secretly relays and possibly alters the communications between two parties who believe that they are directly communicating with each other.
在计算机安全领域，我们应该尽量的避免遭受到“中间人公（攻）鸡（击）”，这样我们的信息就不会被窃取和篡改。但是，在Java ASM当中，Class Transformation的本质就是利用了“中间人公（攻）鸡（击）”的方式来实现对已有的Class文件进行修改或转换。

更详细的来说，我们自己定义的ClassVisitor类就是一个“中间人”，那么这个“中间人”可以做什么呢？可以做三种类型的事情：

对“原有的信息”进行篡改，就可以实现“修改”的效果。对应到ASM代码层面，就是对ClassVisitor.visitXxx()和MethodVisitor.visitXxx()的参数值进行修改。
对“原有的信息”进行扔掉，就可以实现“删除”的效果。对应到ASM代码层面，将原本的FieldVisitor和MethodVisitor对象实例替换成null值，或者对原本的一些ClassVisitor.visitXxx()和MethodVisitor.visitXxx()方法不去调用了。
伪造一条“新的信息”，就可以实现“添加”的效果。对应到ASM代码层面，就是在原来的基础上，添加一些对于ClassVisitor.visitXxx()和MethodVisitor.visitXxx()方法的调用。

小结

本文主要对Class Transformation的工作原理进行介绍，内容总结如下：

第一点，在代码开始执行之前，ClassReader、ClassVisitor和ClassWriter这三者之间是如何建立最初的联系的。例如，ClassReader与ClassVisitor建立联系是通过ClassReader.accept()方法来实现的；而ClassVisitor与ClassWriter建立联系是通过ClassVisitor的构造方法来建立联系的。
第二点，在代码的执行过程中，其中涉及到ClassVisitor.visitXxx()和MethodVisitor.visitXxx()方法的执行顺序是什么样的。
第三点，在进行Class Transformation的过程中，内在的多个FieldVisitor和MethodVisitor是串联到一起的。
第四点，Class Transformation的本质就是“中间人公（攻）鸡（击）”（Man-in-the-middle attack）。

32 - ASM之Class Transformation的原理

Class-Reader/Visitor/Writer

建立联系

ClassReader-ClassVisitor

ClassVisitor-ClassVisitor

ClassVisitor-ClassWriter

执行顺序

执行顺序的代码演示

串联的Field/MethodVisitors

Class Transformation的本质

小结

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