从精准化测试看ASM在Android中的强势插入-字节码

Posted 2021-08-09 eclipse_xu

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字节码是ASM的基础，要想熟练的使用ASM，那么了解字节码就是必备基础。

Class的文件格式

Class文件作为Java虚拟机所执行的直接文件，内部结构设计有着固定的协议，每一个Class文件只对应一个类或接口的定义信息。

每个Class文件都以8位为单位的字节流组成，下面是一个Class文件中所包括的内容，在Class文件中，各项内容按照严格顺序连续存放，Java虚拟机只要按照协议顺序来读取即可。

ClassFile { 
    u4 magic; 
    u2 minor_version; 
    u2 major_version; 
    u2 constant_pool_count; 
    cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; 
    u2 access_flags; 
    u2 this_class; 
    u2 super_class; 
    u2 interfaces_count; 
    u2 interfaces[interfaces_count]; 
    u2 fields_count; 
    field_info fields[fields_count]; 
    u2 methods_count; 
    method_info methods[methods_count]; 
    u2 attributes_count; 
    attribute_info attributes[attributes_count]; 
}

在Class文件结构中，上面各项的含义如下。

Name	含义
magic	作为一个魔数，确定这个文件是否是一个能被虚拟机接受的class文件，值固定为0xCAFEBABE。
minor_version，major_version	分别表示class文件的副，主版本号，不同版本的虚拟机实现支持的Class文件版本号不同。
constant_pool_count	常量池计数器，constant_pool_count的值等于常量池表中的成员数加1。
constant_pool	常量池，constant_pool是一种表结构，包含class文件结构及其子结构中引用的所有字符常量、类或接口名、字段名和其他常量。
access_flags	access_flags是一种访问标志，表示这个类或者接口的访问权限及属性，包括有ACC_PUBLIC，ACC_FINAL，ACC_SUPER等等。
this_class	类索引，指向常量池表中项的一个索引。
super_class	父类索引，这个值必须为0或者是对常量池中项的一个有效索引值，如果为0，表示这个class只能是Object类，只有它是唯一没有父类的类。
interfaces_count	接口计算器，表示当前类或者接口的直接父接口数量。
interfaces[]	接口表，里面的每个成员的值必须是一个对常量池表中项的一个有效索引值。
fields_count	字段计算器，表示当前class文件中fields表的成员个数，每个成员都是一个field_info。
fields	字段表，每个成员都是一个完整的fields_info结构，表示当前类或接口中某个字段的完整描述，不包括父类或父接口的部分。
methods_count	方法计数器，表示当前class文件methos表的成员个数。
methods	方法表，每个成员都是一个完整的method_info结构，可以表示类或接口中定义的所有方法，包括实例方法，类方法，以及类或接口初始化方法。
attributes_count	属性表，其中是每一个attribute_info，包含以下这些属性，InnerClasses，EnclosingMethod，Synthetic，Signature，Annonation等。

以上内容来自网络，我也不知道从哪copy来的。

字节码和Java代码还是有很大区别的。

• 一个字节码文件只能描述一个类，而一个Java文件中可以则包含多个类。当一个Java文件是描述一个包含内部类的类，那么该Java文件则会被编译为两个类文件，文件名上通过「$」来区分，主类文件中包含对其内部类的引用，定义了内部方法的内部类会包含外部引用

• 字节码文件中不包含注释，只有有效的可执行代码，例如类、字段、方法和属性

• 字节码文件中不包含package和import部分， 所有类型名字都必须是完全限定的

• 字节码文件还包含常量池（constant pool），这些内容是编译时生成的，常量池本质上就是一个数组存储了类中出现的所有数值、字符串和类型常量，这些常量仅需要在这个常量池部分中定义一次，就可以利用其索引，在类文件中的所有其他各部分进行引用

字节码的执行过程

字节码在Java虚拟机中是以堆栈的方式进行运算的，类似CPU中的寄存器，在Java虚拟机中，它使用堆栈来完成运算，例如实现「a+b」的加法操作，在Java虚拟机中，首先会将「a」push到堆栈中，然后再将「b」push到堆栈中，最后执行「ADD」指令，取出用于计算的两个变量，完成计算后，将返回值「a+b」push到堆栈中，完成指令。

类型描述符

我们在Java代码中的类型，在字节码中，有相应的表示协议。

Java Type	Type description
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;
void	V
引用类型	L

• Java基本类型的描述符是单个字符，例如Z表示boolean、C表示char

• 类的类型的描述符是这个类的全限定名，前面加上字符L ， 后面跟上一个「;」，例如String的类型描述符为Ljava/lang/String;

• 数组类型的描述符是一个方括号后面跟有该数组元素类型的描述符，多维数组则使用多个方括号

借助上面的协议分析，想要看到字节码中参数的类型，就比较简单了。

方法描述符

方法描述符（方法签名）是一个类型描述符列表，它用一个字符串描述一个方法的参数类型和返回类型。

方法描述符以左括号开头，然后是每个形参的类型描述符，然后是是右括号，接下来是返回类型的类型描述符，例如，该方法返回void，则是V，要注意的是，方法描述符中不包含方法的名字或参数名。

Java方法声明	方法描述符	说明
void m(int i, float f)	(IF)V	接收一个int和float型参数且无返回值
int m(Object o)	(Ljava/lang/Object;)I	接收Object型参数返回int
int[] m(int i, String s)	(ILjava/lang/String;)[I	接受int和String返回一个int[]
Object m(int[] i)	([I)Ljava/lang/Object;	接受一个int[]返回Object

字节码示例

我们来看下这段简单的代码，在字节码下是怎样的。

image-20210623103259980

通过ASMPlugin，我们看下生成的字节码，如下所示。

image-20210623103419893

可以发现，这里主要分成了两个部分——init和onCreate。

Java中的每一个方法在执行的时候，Java虚拟机都会为其分配一个「栈帧」，栈帧是用来存储方法中计算所需要的所有数据的。

其中第0个元素就是「this」，如果方法有参数传入会排在它的后面。

字节码中有很多指令，下面对一些比较常用的指令进行下讲解。

• ALOAD 0：这个指令是LOAD系列指令中的一个，它的意思表示push当前第0个元素到堆栈中。代码上相当于使用「this」，A表示这个数据元素的类型是一个引用类型。类似的指令还有：ALOAD，ILOAD，LLOAD，FLOAD，DLOAD，它们的作用就是针对不用数据类型而准备的LOAD指令

• INVOKESPECIAL：这个指令是调用系列指令中的一个。其目的是调用对象类的方法。后面需要给上父类的方法完整签

• INVOKEVIRTUAL：这个指令区别于INVOKESPECIAL的是，它是根据引用调用对象类的方法

• INVOKESTATIC：调用类的静态方法

大家不用完全掌握这些指令，结合代码来看的话，还是能看懂的，我们需要的是修改字节码，而不是从0开始。

❝

对于Java源文件：如果只有一个方法，编译生成时，也会有两个方法，其中一个是默认构造函数对于Kotlin源文件：如果只有一个方法，编译生成时，会产生四个方法，一个是默认构造函数，还有两个是kotlin合成的方法，以及退出时清除内存的默认函数

❞

ASM Code

再结合ASM Code来看，还是上面的例子。

默认的构造函数。

image-20210623105109646

onCreate：

image-20210623105143214

这里面有些生成的代码，例如：

Label label0 = new Label();
methodVisitor.visitLabel(label0);
methodVisitor.visitLineNumber(9, label0);
methodVisitor.visitLocalVariable("this", "Lcom/yw/asmtest/MainActivity;", null, label0, label4, 0);

这些都是调试代码和写入变量表的方法，我们不必关心。

剩下的代码，就是我们可以在ASM中所需要的代码。

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作者：徐宜生

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