ASM 库的介绍和使用

前面几篇文章介绍了 .class 文件的结构、JVM 如何加载 .class 文件、JVM 中如何执行方法的调用和访问者模式,其实前面几篇文章都是为这篇文章做铺垫的,如果不知道 .class 文件结构、也不知道在 JVM 中 .class 文件中的方法是如何被执行的,这篇文章中的有些部分可能会看不懂,所以推荐先看下前面几篇文章。
这篇文章主要介绍 ASM 库的结构、主要的 API,并且通过两个示例说明如何通过 ASM 修改 .class 文件中的方法和属性。


catalog.png

一. ASM 的结构

ASM 库是一款基于 Java 字节码层面的代码分析和修改工具。ASM 可以直接生产二进制的 class 文件,也可以在类被加载入 JVM 之前动态修改类行为。
ASM 库的结构如下所示:


asm_arch.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,在 访问者模式和 ASM 中介绍的几个重要的类就在 Core API 中:ClassReader、ClassVisitor 和 ClassWriter 类.
  • Tree:提供了 Java 字节码在内存中的表现
  • Commons:提供了一些常用的简化字节码生成、转换的类和适配器
  • Util:包含一些帮助类和简单的字节码修改类,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

二. Core API 介绍

2.1 ClassVisitor 抽象类

如下所示,在 ClassVisitor 中提供了和类结构同名的一些方法,这些方法会对类中相应的部分进行操作,而且是有顺序的:visit [ visitSource ] [ visitOuterClass ] ( visitAnnotation | visitAttribute )* (visitInnerClass | visitField | visitMethod )* visitEnd

public abstract class ClassVisitor {

        ......
    
    public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces);
    public void visitSource(String source, String debug);
    public void visitOuterClass(String owner, String name, String desc);
    public AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, boolean visible);
    public AnnotationVisitor visitTypeAnnotation(int typeRef, TypePath typePath, String desc, boolean visible);
    public void visitAttribute(Attribute attr);
    public void visitInnerClass(String name, String outerName, String innerName, int access);
    public FieldVisitor visitField(int access, String name, String desc, String signature, Object value);
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions);
    public void visitEnd();
}
  1. void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces)
    该方法是当扫描类时第一个调用的方法,主要用于类声明使用。下面是对方法中各个参数的示意:visit( 类版本 , 修饰符 , 类名 , 泛型信息 , 继承的父类 , 实现的接口)
  2. AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, boolean visible)
    该方法是当扫描器扫描到类注解声明时进行调用。下面是对方法中各个参数的示意:visitAnnotation(注解类型 , 注解是否可以在 JVM 中可见)。
  3. FieldVisitor visitField(int access, String name, String desc, String signature, Object value)
    该方法是当扫描器扫描到类中字段时进行调用。下面是对方法中各个参数的示意:visitField(修饰符 , 字段名 , 字段类型 , 泛型描述 , 默认值)
  4. MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions)
    该方法是当扫描器扫描到类的方法时进行调用。下面是对方法中各个参数的示意:visitMethod(修饰符 , 方法名 , 方法签名 , 泛型信息 , 抛出的异常)
  5. void visitEnd()
    该方法是当扫描器完成类扫描时才会调用,如果想在类中追加某些方法

2.2 ClassReader 类

这个类会将 .class 文件读入到 ClassReader 中的字节数组中,它的 accept 方法接受一个 ClassVisitor 实现类,并按照顺序调用 ClassVisitor 中的方法

2.3 ClassWriter 类

ClassWriter 是一个 ClassVisitor 的子类,是和 ClassReader 对应的类,ClassReader 是将 .class 文件读入到一个字节数组中,ClassWriter 是将修改后的类的字节码内容以字节数组的形式输出。

2.4 MethodVisitor & AdviceAdapter

MethodVisitor 是一个抽象类,当 ASM 的 ClassReader 读取到 Method 时就转入 MethodVisitor 接口处理。
AdviceAdapter 是 MethodVisitor 的子类,使用 AdviceAdapter 可以更方便的修改方法的字节码。
AdviceAdapter 的方法如下所示:


AdviceAdapter.png

其中比较重要的几个方法如下:

  1. void visitCode():表示 ASM 开始扫描这个方法
  2. void onMethodEnter():进入这个方法
  3. void onMethodExit():即将从这个方法出去
  4. void onVisitEnd():表示方法扫码完毕

2.5 FieldVisitor 抽象类

FieldVisitor 是一个抽象类,当 ASM 的 ClassReader 读取到 Field 时就转入 FieldVisitor 接口处理。和分析 MethodVisitor 的方法一样,也可以查看源码注释进行学习,这里不再详细介绍

2.6 操作流程

  1. 需要创建一个 ClassReader 对象,将 .class 文件的内容读入到一个字节数组中
  2. 然后需要一个 ClassWriter 的对象将操作之后的字节码的字节数组回写
  3. 需要事件过滤器 ClassVisitor。在调用 ClassVisitor 的某些方法时会产生一个新的 XXXVisitor 对象,当我们需要修改对应的内容时只要实现自己的 XXXVisitor 并返回就可以了

三. 示例

3.1 修改类中方法的字节码

假如现在我们有一个 HelloWorld 类,如下

package com.lijiankun24.asmpractice.demo;

public class HelloWorld {

    public void sayHello() {
        try {
            Thread.sleep(2 * 1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

通过 javac HelloWorld.javajavap -verbose HelloWorld.class 可以查看到 sayName() 方法的字节码如下所示:

  public void sayHello();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: ldc2_w        #2                  // long 2000l
         3: invokestatic  #4                  // Method java/lang/Thread.sleep:(J)V
         6: goto          14
         9: astore_1
        10: aload_1
        11: invokevirtual #6                  // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
        14: return
      Exception table:
         from    to  target type
             0     6     9   Class java/lang/InterruptedException
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 8: 6
        line 6: 9
        line 7: 10
        line 9: 14
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 73 /* same_locals_1_stack_item */
          stack = [ class java/lang/InterruptedException ]
        frame_type = 4 /* same */

我们通过 ASM 修改 HelloWorld.class 字节码文件,实现统计方法执行时间的功能

public class CostTime {

    public static void main(String[] args) {
        redefinePersonClass();
    }

    private static void redefinePersonClass() {
        String className = "com.lijiankun24.asmpractice.demo.HelloWorld";
        try {
            InputStream inputStream = new FileInputStream("/Users/lijiankun/Desktop/HelloWorld.class");
            ClassReader reader = new ClassReader(inputStream);                               // 1. 创建 ClassReader 读入 .class 文件到内存中
            ClassWriter writer = new ClassWriter(reader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS);                 // 2. 创建 ClassWriter 对象,将操作之后的字节码的字节数组回写
            ClassVisitor change = new ChangeVisitor(writer);                                        // 3. 创建自定义的 ClassVisitor 对象
            reader.accept(change, ClassReader.EXPAND_FRAMES);                                       // 4. 将 ClassVisitor 对象传入 ClassReader 中

            Class clazz = new MyClassLoader().defineClass(className, writer.toByteArray());
            Object personObj = clazz.newInstance();
            Method nameMethod = clazz.getDeclaredMethod("sayHello", null);
            nameMethod.invoke(personObj, null);
            System.out.println("Success!");
            byte[] code = writer.toByteArray();                                                               // 获取修改后的 class 文件对应的字节数组
            try {
                FileOutputStream fos = new FileOutputStream("/Users/lijiankun/Desktop/HelloWorld2.class");    // 将二进制流写到本地磁盘上
                fos.write(code);
                fos.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("Failure!");
        }
    }

    static class ChangeVisitor extends ClassVisitor {

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

        @Override
        public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
            MethodVisitor methodVisitor = super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
            if (name.equals("<init>")) {
                return methodVisitor;
            }
            return new ChangeAdapter(Opcodes.ASM4, methodVisitor, access, name, desc);
        }
    }

    static class ChangeAdapter extends AdviceAdapter {
        private int startTimeId = -1;

        private String methodName = null;

        ChangeAdapter(int api, MethodVisitor mv, int access, String name, String desc) {
            super(api, mv, access, name, desc);
            methodName = name;
        }

        @Override
        protected void onMethodEnter() {
            super.onMethodEnter();
            startTimeId = newLocal(Type.LONG_TYPE);
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "currentTimeMillis", "()J", false);
            mv.visitIntInsn(LSTORE, startTimeId);
        }

        @Override
        protected void onMethodExit(int opcode) {
            super.onMethodExit(opcode);
            int durationId = newLocal(Type.LONG_TYPE);
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "currentTimeMillis", "()J", false);
            mv.visitVarInsn(LLOAD, startTimeId);
            mv.visitInsn(LSUB);
            mv.visitVarInsn(LSTORE, durationId);
            mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
            mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/StringBuilder");
            mv.visitInsn(DUP);
            mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/StringBuilder", "<init>", "()V", false);
            mv.visitLdcInsn("The cost time of " + methodName + " is ");
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitVarInsn(LLOAD, durationId);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(J)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "toString", "()Ljava/lang/String;", false);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
        }
    }
}

执行结果如下图所示


Class.png

反编译 HelloWorld2.class 文件的内容如下所示


Class1.png

3.2 修改类中属性的字节码

这一节中我们将展示一下如何使用 Core API 对类中的属性进行操作。

假如说,现在有一个 Person.java 类如下所示:

public class Person {
    public String name;
    public int sex;
}

我们想为这个类,添加一个 ‘public int age’ 的属性该怎么添加呢?我们会面对两个问题:

  1. 该调用 ASM 的哪个 API 添加属性呢?
  2. 在何时写添加属性的代码?

接下来,我们就一一解决上面的两个问题?

3.2.1 添加属性的 API

按照我们分析的上述的 2.6 操作流程叙述,需要以下三个步骤:

  1. 需要创建一个 ClassReader 对象,将 .class 文件的内容读入到一个字节数组中
  2. 然后需要一个 ClassWriter 的对象将操作之后的字节码的字节数组回写
  3. 需要创建一个事件过滤器 ClassVisitor。事件过滤器中的某些方法可以产生一个新的XXXVisitor对象,当我们需要修改对应的内容时只要实现自己的XXXVisitor并返回就可以了

在上面三个步骤中,可以操作的就是 ClassVisitor 了。ClassVisitor 接口提供了和类结构同名的一些方法,这些方法可以对相应的类结构进行操作。

在使用 ClassVisitor 添加类属性的时候,只需要添加一句话就可以了:

classVisitor.visitField(Opcodes.ACC_PUBLIC, "age", Type.getDescriptor(int.class), null, null); 
visitField.png
3.2.2 添加属性的时机

我们先暂且在 ClassVisitor 的 visitEnd() 方法中写入上面的代码,如下所示

public class Transform extends ClassVisitor {  
  
    public Transform(ClassVisitor cv) {  
        super(cv);  
    }  
  
    @Override  
    public void visitEnd() {  
        cv.visitField(Opcodes.ACC_PUBLIC, "age", Type.getDescriptor(int.class), null, null);  
    }  
} 

我们写如下的测试类,测试一下

public class FieldPractice {

    public static void main(String[] args) {
        addAgeField();
    }

    private static void addAgeField() {
        try {
            InputStream inputStream = new FileInputStream("/Users/lijiankun/Desktop/Person.class");
            ClassReader reader = new ClassReader(inputStream);
          
            ClassWriter writer = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
          
            ClassVisitor visitor = new Transform(writer);
            reader.accept(visitor, ClassReader.SKIP_DEBUG);

            byte[] classFile = writer.toByteArray();
            MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
            Class clazz = classLoader.defineClass("Person", classFile);
            Object obj = clazz.newInstance();

            System.out.println(clazz.getDeclaredField("name").get(obj)); //----(1)
            System.out.println(clazz.getDeclaredField("age").get(obj));  //----(2)
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

其输出入下所示:


visitFieldResult.png

那如果我们尝试在 ClassVisitor#visitField() 方法中添加属性可以吗?我们可以修改 Transform 测试一下:

public class Transform extends ClassVisitor {

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

    @Override
    public FieldVisitor visitField(int access, String name, String desc, String signature, Object value) {
        cv.visitField(Opcodes.ACC_PUBLIC, "age", Type.getDescriptor(int.class), null, null);
        return super.visitField(access, name, desc, signature, value);
    }
}

还是使用上面的测试代码测试一下,会有如下的测试结果


visitFieldError.png

在 Person 类中有重复的属性,为什么会报这个错误呢?

分析 ClassVisitor#visitField() 方法可得知,只要访问类中的一个属性,visitField() 方法就会被调用一次,在 Person 类中有两个属性,所以 visitField() 方法就会被调用两次,也就添加了两次 ‘public int age’ 属性,就报了上述的错误,而 visitEnd() 方法只有在最后才会被调用且只调用一次,所以在 visitEnd() 方法中是添加属性的最佳时机

3.3 ASMifier

可能有人会问,我刚开始学,上面例子中那些 ASM 的代码我还不会写,怎么办呢?ASM 官方为我们提供了 ASMifier,可以帮助我们生成这些晦涩难懂的 ASM 代码。

比如,我想通过 ASM 实现统计一个方法的执行时间,该怎么做呢?一般会有如下的代码:

package com.lijiankun24.classpractice;

public class Demo {

    public void costTime() {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        // ......
        long duration = System.currentTimeMillis() - startTime;
        System.out.println("The cost time of this method is " + duration + " ms");
    }
}

那上面这段代码对应的 ASM 代码是什么呢?我们可以通过以下两个步骤,使用 ASMifier 自动生成:

  1. 通过 javac 编译该 Demo.java 文件生成对应的 Demo.class 文件,如下所示
javac Demo.java
  1. 通过 ASMifier 自动生成对应的 ASM 代码。首先需要在ASM官网 下载 asm-all.jar 库,我下载的是最新的 asm-all-5.2.jar,然后使用如下命令,即可生成
java -classpath asm-all-5.2.jar org.objectweb.asm.util.ASMifier Demo.class 

截图如下:


DemoDump.png

深入字节码 -- 玩转 ASM-Bytecode 原 荐
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