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字节码插桩--你也可以轻松掌握

1 什么是插桩?

听到关于“插桩”的词语,第一眼觉得会很高深,那到底什么是插桩呢?用通俗的话来讲,插桩就是将一段代码通过某种策略插入到另一段代码,或替换另一段代码。这里的代码可以分为源码和字节码,而我们所说的插桩一般指字节码插桩。 图1是Android开发者常见的一张图,我们编写的源码(.java)通过javac编译成字节码(.class),然后通过dx/d8编译成dex文件。

图1:Java-字节码-dex,图片来自-极客时间
我们下面要讲的插桩,就是在.class转为.dex之前,修改.class文件从而达到修改或替换代码的目的。 那有人肯定会有这样的疑问?既然插桩是插入或替换代码,那为何我不自己直接插入或替换呢?为何还要用这么“复杂”的工具?别着急,第二个问题将会给你答案。

2 插桩的应用场景有哪些?

技术是服务于业务的,一个无法推进业务进步的技术并不值得我们学习。在上面,我们对插桩的理解是:插入,替换代码。那么,结合这个核心主线我们来挖掘插桩能被应用的场景有哪些?

代码插入

我们所熟悉的ButterKnife,Dagger这些常用的框架,也是在编译期间生成了代码,简化了程序员的操作。假设有这么一个需求,要监控某些或者所有方法的执行耗时?你会怎么做呢?如果你监控的方法只有十几个或者几十个,那么也许通过程序员自身的编码就能轻松解决;但是如果监控的方法达到百千甚至万级别,你还通过编码来解决?那么程序员存在的价值在哪里?面对这样的重复劳动问题,最先想到的就应该是自动化,也就是我们今天所讲的插桩。通过插桩,我们扫描每一个class文件,并针对特定规则进行字节码修改从而达到监控每个方法耗时的目的。关于如何实现这样的需求,后面我会详细讲述。

代码替换

如果遇到这么一个需求,需要将项目中所有使用某个方法(如Dialog.show())的地方替换成自己包装的方法(MyDialog.show()),那么你该如何解决呢?有人会说,直接使用快捷键就能全局替换。那么有两个问题

  1. 如果有其他类定义了show()方法,并被调用了,直接使用快捷键是否会被错误替换?
  2. 如果其他引用包使用了该方法,你怎么替换呢?

没关系,插桩同样可以解决你的问题。 综合上面所说的两点,其实很多业务场景都使用了插桩技术,比如无痕埋点,性能监控等。

3 掌握插桩应该具备的基础知识有哪些?

上面讲了插桩的应用场景,是否现在想跃跃欲试呢?别着急,想掌握好插桩技术,练就扎实的插桩功底,我们是需要具备一些基础知识的。

  • 熟练掌握字节码相关技术。可参考 一文让你明白Java字节码

  • Gradle自定义插件,直接参考官网 Writing Custom plugins

  • 如果你想运用在Android项目中,那么还需要掌握Transform API, 这是android在将class转成dex之前给我们预留的一个接口,在该接口中我们可以通过插件形式来修改class文件。

  • 字节码修改工具。如AspectJ,ASM,javasisst。这里我推荐使用ASM,关于ASM相关知识,在下一章我给大家简单介绍。同样大家可以参考 Asm官方文档

  • groovy语言基础

如果你具备了上面5块知识,那么恭喜你,会很顺利的完成字节码插桩技术了。下面,我通过实战一个很简单的例子,带领大家一起领略插桩的风采。

4 使用ASM进行字节码插桩

1 什么是ASM?

ASM是生成和转换已编译的Java类工具,就是我们插桩需要使用的工具。

2 两种API?

ASM提供了两种API来生成和转换已编译类,一个是核心API,以基于事件形式来表示类;另一个是树API,以基于对象形式来表示类。

3 基于事件形式

我们通过上面的基础知识,了解到类的结构,类包含字段,方法,指令等;基于事件的API把类看作是一系列事件来表示,每一个类的事件表示一个类的元素。类似解析XML的SAX

4 基于对象形式

基于对象的API将类表示成一棵对象树,每个对象表示类的一部分。类似解析XML的DOM

5 优缺点比较

事件形式 对象形式
内存占用
实现难度

通过上面表格,我们清楚的了解到:

  • 事件API内存占用少于对象API,因为事件API不需要在内存中创建和存储对象树
  • 事件API实现难度比对象API大,因为事件API在任意时刻类中只有一个元素可使用,但是对象API能获得整个类。

那么接下来,我们就通过比较容易实现的对象API入手,一起完成上面的需求。 我们Android的构建工具是Gradle,因此我们结合transform和Gradle插件方式来完成该需求,接下来我们来看看gradle官方提供的3种插件形式 6 Gradle插件的3种形式

插件形式 说明
Build script 直接在build script中写插件代码,不可复用
buildSrc 独立项目结构,只能在本构建体系中复用,无法提供给其他项目
Standalone 独立项目结构,发布到仓库,可以复用

由于我们是demo,并不需要共享给其他项目,因此采用buildSrc方式即可,但是正常项目中都采用Standalone形式。

5 插桩实践

目标 : 删除所有以test开头的方法

接下来我们来完成一个非常小的需求,删除所有以test开头的方法。为什么说这是一个小需求,因为这并不涉及指令的操作,所有操作通过方法名完成即可。通过完成这个demo,只是抛砖引玉。如若后期需要,可以逐步深入到指令级别替换。 接下来的步骤就是创建demo的过程

  • 1 新建buildSrc目录,用来存放源代码位置。针对不同语言可以新建不同目录。
    图2-项目整体结构
    如上图所示的是buildSrc的结构。
  • 2 在buildSrc的gradle文件中我们需要配置如下代码
apply plugin: 'groovy'
dependencies {
   compile gradleApi()//在使用自定义插件时候,一定要引用org.gradle.api.Plugin
   compile 'com.android.tools.build:gradle:3.3.2'//使用自定义transform时候,需要引用com.android.build.api.transform.Transform
   compile 'org.ow2.asm:asm:6.0'
   compile 'commons-io:commons-io:2.6'
}
repositories {
   mavenCentral()
   jcenter()
   google()
}
复制代码
  • 3 重写Transform API 在groovy目录下新建一个groovy类并继承Transform,注意导包com.android.build.api.transform,并实现抽象方法和transform方法,如下
class MyTransform extends Transform {
   Project project
   MyTransform(Project project) {
       this.project = project
   }
   @Override
   String getName() {
       return "MyTransform"
   }
   //设置输入类型,我们是针对class文件处理
   @Override
   Set<QualifiedContent.ContentType> getInputTypes() {
       return TransformManager.CONTENT_CLASS
   }
   //设置输入范围,我们选择整个项目
   @Override
   Set<? super QualifiedContent.Scope> getScopes() {
       return TransformManager.SCOPE_FULL_PROJECT
   }
   @Override
   boolean isIncremental() {
       return true
   }
   //重点就是该方法,我们需要将修改字节码的逻辑就从这里开始
   @Override
   void transform(Context context, Collection<TransformInput> inputs, Collection<TransformInput> referencedInputs, TransformOutputProvider outputProvider, boolean isIncremental) throws IOException, TransformException, InterruptedException {
       inputs.each {
           TransformInput input ->
               input.getJarInputs().each {
               //处理jar文件,代码太多,这里暂时不贴
               }
               input.getDirectoryInputs().each {
               //处理目录文件,这里的ASMHelper.transformClass()是修改字节码逻辑
                   def destDir = transformInvocation.outputProvider.getContentLocation(
                           "${dir.name}_transformed",
                           dir.contentTypes,
                           dir.scopes,
                           Format.DIRECTORY)
                   if (dir.file) {
                       def modifiedRecord = [:]
                       dir.file.traverse(type: FileType.FILES, nameFilter: ~/.*\.class/) {
                           File classFile ->
                               def className = classFile.absolutePath.replace(dir.getFile().getAbsolutePath(), "")
                               if (!ASMHelper.filter(className)) {
                                   def transformedClass = ASMHelper.transformClass(classFile, dir.file, transformInvocation.context.temporaryDir)
                                   modifiedRecord[(className)] = transformedClass
                               }
                       }
                       FileUtils.copyDirectory(dir.file, destDir)
                       modifiedRecord.each { name, file ->
                           def targetFile = new File(destDir.absolutePath, name)
                           if (targetFile.exists()) {
                               targetFile.delete()
                           }
                           FileUtils.copyFile(file, targetFile)
                       }
                       modifiedRecord.clear()
               }
       }
   }
}
复制代码
  • 4 实现字节码修改逻辑 Transform我们已经定义完成,接下来就要针对读入的字节码进行修改。我们采用对象API进行解析class文件。一共就是3个步骤:
  1. 将输入流转化为ClassNode
  2. 处理ClassNode,这里就是我们的业务逻辑所在
  3. 将ClassNode转为字节数组输出 当然还有其他文件的IO操作,这里因为篇幅限制未贴出,如若需要demo,可以私信。
static byte[] modifyClass(InputStream inputStream) {
       ClassNode classNode = new ClassNode(Opcodes.ASM5)
       ClassReader classReader = new ClassReader(inputStream)
       //1 将读入的字节转为classNode
       classReader.accept(classNode, 0)
       //2 对classNode的处理逻辑
       Iterator<MethodNode> iterator = classNode.methods.iterator();
       while (iterator.hasNext()) {
           MethodNode node = iterator.next()
           if (node.name.startsWith("test")) {
               iterator.remove()
           }
       }
       ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0)
       //3  将classNode转为字节数组
       classNode.accept(classWriter)
       return classWriter.toByteArray()
   }
复制代码
  • 5 插件化 上面我们完成了字节码修改逻辑以及定义Transform,但是并没有完成插件的定义。结合Transform API我们了解到,需要将我们自定义的Transform注册到插件中,如下
class MyPlugin implements Plugin<Project> {
    @Override
    void apply(Project project) {
        project.android.registerTransform(new MyTransform(project))
    }
}
复制代码
  • 6 提供可对外使用的插件 插件完成了,但是怎么才能对外使用呢?上面我们说到,我们采取3种插件形式之一的buildSrc。我们上文中创建了plugin.properties文件。只需要在该文件中编辑实现类即可
implementation-class=MyPlugin
复制代码
  • 7 应用方应用插件 在应用方的gradle文件中做如下配置
apply plugin: 'plugin'
复制代码

上面代码我们注意到,plugin这个插件和plugin.properties的文件名是一样的。是的,应用方应用的插件名和我们定义的properties文件名保持一致。

  • 8 结果展示 源代码如下,经过我们插件处理之后,编译后的字节码应该没有了testDemo方法。
public class MainActivity extends Activity {
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(android.R.layout.activity_list_item);
    }
    public void testDemo() {
        System.out.println("demo test");
    }
}
复制代码

那么,处理后的字节码在哪呢?在*$project/build/intermediates/transforms/MyTransform/...* MyTransform是我自定义Transform的类名,下面有debug和release包。继续下去大家应该能找到对应的类。

图3-结果展示.png
上图我们看到,已经没有的testDemo方法。成功!

6 结束语

通过上面实战练习,相信你已经初步掌握了插桩的基本技术,但是这还远远不够;在项目中会遇到各式各样的问题,现实情况可能没有demo这么简单;不过没关系,如果在插桩过程中遇到任何问题,都可以私信给我,我将尽我所能的给你提供最优质的免费咨询服务。同时,我也非常欢迎大家互相交流技术,共同成长。

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