ASM字节码插桩

Posted 2020-11-25 milovetingting

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ASM字节码插桩

前言

热修复的多Dex加载方案中，对于5.0以下的系统存在CLASS_ISPREVERIFIED的问题，而解决这个问题的一个方案是：通过ASM插桩，在类的构造方法里引入一个其它dex里的类，从而避免被打上CLASS_ISPREVERIFIED标签。热修复可以参考其它资料或者前面写的一篇文章。本文主要介绍ASM插桩，主要参考 https://juejin.im/post/5c6eaa066fb9a049fc042048

ASM框架

ASM是一个可以分析和操作字节码的框架，通过它可以动态地修改字节码内容。使用ASM可以实现无埋点统计、性能监控等。

什么是字节码插桩

android编译过程中，往字节码插入自定义的字节码。

插桩时机

Android打包要经过:java文件--class文件--dex文件，通过Gradle提供的Transform API，可以在编译成dex文件前，得到class文件，然后通过ASM修改字节码，即字节码插桩。

实现

下面通过自定义Gradle插件来处理class文件来实现插桩。

自定义Gradle插件

具体自定义Gradle插件的步骤，这里不再详细介绍，可以参考之前的一篇文章或者自行查阅其它资料。

处理Class

插件分为插件部分(src/main/groovy)、ASM部分(src/main/java)

ASMPlugin类继承自Transform并实现Plugin接口,在apply的方法里注册，transform里回调并处理class。

class ASMPlugin extends Transform implements Plugin<Project> {

    @Override
    void apply(Project project) {
        def android = project.extensions.getByType(AppExtension)
        android.registerTransform(this)
    }

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

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

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

    @Override
    boolean isIncremental() {
        return false
    }

    @Override
    void transform(TransformInvocation transformInvocation) throws TransformException, InterruptedException, IOException {
        //处理class
    }
}

主要的逻辑处理都在transform方法里

@Override
    void transform(TransformInvocation transformInvocation) throws TransformException, InterruptedException, IOException {
        println('--------------------ASMPlugin transform start--------------------')
        def startTime = System.currentTimeMillis()
        Collection<TransformInput> inputs = transformInvocation.inputs
        TransformOutputProvider outputProvider = transformInvocation.outputProvider
        //删除旧的输出
        if (outputProvider != null) {
            outputProvider.deleteAll()
        }
        //遍历inputs
        inputs.each { input ->
            //遍历directoryInputs
            input.directoryInputs.each {
                directoryInput -> handleDirectoryInput(directoryInput, outputProvider)
            }
            //遍历jarInputs
            input.jarInputs.each {
                jarInput -> handleJarInput(jarInput, outputProvider)
            }
        }
        def time = (System.currentTimeMillis() - startTime) / 1000
        println('-------------------- ASMPlugin transform end --------------------')
        println("ASMPlugin cost $time s")
    }

在transform里处理class文件和jar文件

    /**
     * 处理目录下的class文件
     * @param directoryInput
     * @param outputProvider
     */
    static void handleDirectoryInput(DirectoryInput directoryInput, TransformOutputProvider outputProvider) {
        //是否为目录
        if (directoryInput.file.isDirectory()) {
            //列出目录所有文件（包含子文件夹，子文件夹内文件）
            directoryInput.file.eachFileRecurse {
                file ->
                    def name = file.name
                    if (isClassFile(name)) {
                        println("-------------------- handle class file:<$name> --------------------")
                        ClassReader classReader = new ClassReader(file.bytes)
                        ClassWriter classWriter = new ClassWriter(classReader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS)
                        ClassVisitor classVisitor = new ActivityClassVisitor(classWriter)
                        classReader.accept(classVisitor, org.objectweb.asm.ClassReader.EXPAND_FRAMES)
                        byte[] bytes = classWriter.toByteArray()
                        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(file.parentFile.absolutePath + File.separator + name)
                        fileOutputStream.write(bytes)
                        fileOutputStream.close()
                    }
            }
        }
        def dest = outputProvider.getContentLocation(directoryInput.name, directoryInput.contentTypes, directoryInput.scopes, Format.DIRECTORY)
        FileUtils.copyDirectory(directoryInput.file, dest)
    }

    /**
     * 处理Jar中的class文件
     * @param jarInput
     * @param outputProvider
     */
    static void handleJarInput(JarInput jarInput, TransformOutputProvider outputProvider) {
        if (jarInput.file.getAbsolutePath().endsWith(".jar")) {
            //重名名输出文件,因为可能同名,会覆盖
            def jarName = jarInput.name
            def md5Name = DigestUtils.md5Hex(jarInput.file.absolutePath)
            if (jarName.endsWith(".jar")) {
                jarName = jarName.substring(0, jarName.length() - 4)
            }
            JarFile jarFile = new JarFile(jarInput.file)
            Enumeration enumeration = jarFile.entries()
            File tempFile = new File(jarInput.file.parent + File.separator + "temp.jar")
            //避免上次的缓存被重复插入
            if (tempFile.exists()) {
                tempFile.delete()
            }
            JarOutputStream jarOutputStream = new JarOutputStream(new FileOutputStream(tempFile))
            //保存
            while (enumeration.hasMoreElements()) {
                JarEntry jarEntry = enumeration.nextElement()
                String entryName = jarEntry.name
                ZipEntry zipEntry = new ZipEntry(entryName)
                InputStream inputStream = jarFile.getInputStream(zipEntry)
                if (isClassFile(entryName)) {
                    println("-------------------- handle jar file:<$entryName> --------------------")
                    jarOutputStream.putNextEntry(zipEntry)
                    ClassReader classReader = new ClassReader(IOUtils.toByteArray(inputStream))
                    ClassWriter classWriter = new ClassWriter(classReader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS)
                    ClassVisitor classVisitor = new ActivityClassVisitor(classWriter)
                    classReader.accept(classVisitor, org.objectweb.asm.ClassReader.EXPAND_FRAMES)
                    byte[] bytes = classWriter.toByteArray()
                    jarOutputStream.write(bytes)
                } else {
                    jarOutputStream.putNextEntry(zipEntry)
                    jarOutputStream.write(IOUtils.toByteArray(inputStream))
                }
                jarOutputStream.closeEntry()
            }
            jarOutputStream.close()
            jarFile.close()
            def dest = outputProvider.getContentLocation(jarName + "_" + md5Name, jarInput.contentTypes, jarInput.scopes, Format.JAR)
            FileUtils.copyFile(tempFile, dest)
            tempFile.delete()
        }
    }

    /**
     * 判断是否为需要处理class文件
     * @param name
     * @return
     */
    static boolean isClassFile(String name) {
        return (name.endsWith(".class") && !name.startsWith("R$")
                && "R.class" != name && "BuildConfig.class" != name && name.contains("Activity"))
    }

在handleDirectoryInput和handleJarInput调用了我们自己定义在src/main/java里的ClassVisitor，

class ActivityClassVisitor extends ClassVisitor implements Opcodes {

    private String mClassName;

    private static final String CLASS_NAME_ACTIVITY = "androidx/appcompat/app/AppCompatActivity";

    private static final String METHOD_NAME_ONCREATE = "onCreate";

    private static final String METHOD_NAME_ONDESTROY = "onDestroy";

    public ActivityClassVisitor(ClassVisitor cv) {
        super(Opcodes.ASM5, cv);
    }

    @Override
    public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName,
                      String[] interfaces) {
        mClassName = name;
        super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature,
                                     String[] exceptions) {
        MethodVisitor methodVisitor = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
        if (CLASS_NAME_ACTIVITY.equals(mClassName)) {
            if (METHOD_NAME_ONCREATE.equals(name)) {
                System.out.println("-------------------- ActivityClassVisitor,visit method:" + name +
                        " --------------------");
                return new ActivityOnCreateMethodVisitor(Opcodes.ASM5, methodVisitor);
            } else if (METHOD_NAME_ONDESTROY.equals(name)) {
                System.out.println("-------------------- ActivityClassVisitor,visit method:" + name +
                        " --------------------");
                return new ActivityOnDestroyMethodVisitor(Opcodes.ASM5, methodVisitor);
            }
        }
        return methodVisitor;
    }
}

这里为简化操作，只处理了Activity的onCreate和onDestroy方法。在visitMethod方法里又调用了具体的MethodVisitor。如果对字节码不是特别了解的，可以通过在Android Studio中安装ASM Bytecode Outline插件来辅助。

具体使用:

安装完成ASM Bytecode Outline后，重启Android Studio，然后在相应的Java文件中右键，选择Show Bytecode outline

稍待一会后，会生成相应的字节码，在打开的面板中选择ASMified标签

public class ActivityOnCreateMethodVisitor extends MethodVisitor {

    public ActivityOnCreateMethodVisitor(int api, MethodVisitor mv) {
        super(api, mv);
    }

    @Override
    public void visitCode() {
         mv.visitLdcInsn("ASMPlugin");
        mv.visitLdcInsn("-------------------- MainActivity onCreate --------------------");
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "i", "(Ljava/lang/String;" +
                "Ljava/lang/String;)I", false);
        mv.visitInsn(POP);

        super.visitCode();
    }

    @Override
    public void visitInsn(int opcode) {
        super.visitInsn(opcode);
    }
}

public class ActivityOnDestroyMethodVisitor extends MethodVisitor {

    public ActivityOnDestroyMethodVisitor(int api, MethodVisitor mv) {
        super(api, mv);
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        super.visitCode();

        mv.visitLdcInsn("ASMPlugin");
        mv.visitLdcInsn("-------------------- MainActivity onDestroy --------------------");
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "i", "(Ljava/lang/String;" +
                "Ljava/lang/String;)I", false);
        mv.visitInsn(POP);
    }

    @Override
    public void visitInsn(int opcode) {
        super.visitInsn(opcode);
    }
}

在visitCode和visitInsn方法里执行具体的操作。

在处理Class过程中，可能会出现各种问题，可以通过调试插件来定位问题。可以参考上一篇文章来调试插件。

引用插件

在app模块引用插件，这里不再详细介绍，可以参考前面的文章

将应用运行在手机上，打开后，可以看到日志输出:

02-25 17:29:45.885 31237 31237 I ASMPlugin: -------------------- MainActivity onCreate --------------------
02-25 17:29:50.646 31237 31237 I ASMPlugin: -------------------- MainActivity onDestroy --------------------

结语

这篇文章只是实现了简单的ASM插桩。可以查阅其它资料，了解更多关于字节码、ASM相关的内容。

源码地址：https://github.com/milovetingting/Samples/tree/master/ASM