ASM字节码插桩技术初探

news2024/10/23 2:52:00

一、ASM简介

     ASM(全称:ASMifier Class Visitor)是一个java字节码操纵框架,ASM 提供了许多 API 和工具,可以直接以二进制形式读取和修改类文件、动态生成类或者增强既有类的功能。                

1、 ASM 主要作用

       asm用于生成、编辑、分析java的class文件

◆ 字节码生成

         可以通过 ASM 生成 Java 类的字节码,可以用于生成代理类、动态生成类等场景。

◆ 字节码修改

         可以通过 ASM 对已有的类字节码进行修改,实现一些类增强、方法拦截等功能。

◆ 字节码分析

       可以通过 ASM 对已有的类字节码进行分析,实现一些类结构的分析和转换。

2、核心API

   ASM框架中的核心类有以下几个:

◆ ClassReader

        该类用来解析编译过的class字节码文件。

◆ ClassWriter

       该类用来重新构建编译后的类,比如说修改类名、属性以及方法,甚至可以生成新的类的字

       节码文件。

◆ ClassAdapter

      该类也实现了ClassVisitor接口,它将对它的方法调用委托给另一个ClassVisitor对象。

3、工作原理

        要了解Asm的工作原理,首先需要对java的字节码文件有一定了解。

◆ class文件结构

        一个Class文件都对应着唯一的一个类或接口的定义信息,Class 文件是一组以 8 个字节为基础单位的二进制流。calss文件由“无符号数” 和 “表” 两种数据类型组成,相邻的项之间没有间隔,这使得 class 文件变得紧凑,减少存储空间。在 Java 类文件中包含了许多大小不同的项,由于每一项的结构都有严格规定,这使得 class 文件能够从头到尾被顺利地解析。

       无符号数属于基本数据类型,以 u1、u2、u4、u8 来分别代表  个字节、2 个字节、4 个字节和 8 个字节的无符号数,无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值;
        表是由多个无符号数或其他表作为数据项构成的复合数据类型,以“_info”结尾。表用于描述有层次关系的复合结构的数据。

       主要的字节码数据类型见3-1图表格。

                                   (图3-1)
◆ ASM运行机制

       基于上述字节码的结构特点,ASM的ClassReader这个类可以直接由字节数组或由 class 文件间接的获得字节码数据,它能正确的分析字节码,构建出抽象的树在内存中表示字节码,对字节码树进行遍历,在遍历过程中对字节码进行修改。

   ClassReader的accept会动态绑定ClassVisitor的实现类,依次调用接口的方法,字节码空间上的偏移被转换成 visit 事件时间上调用的先后,所谓 visit 事件是指对各种不同 visit 函数的调用,ClassReader知道如何调用各种 visit 函数。

   ClassAdapter类实现了 ClassVisitor接口所定义的所有函数,当新建一个 ClassAdaptor对象的时候,需要传入一个实现了 ClassVisitor接口的对象,作为职责链中的下一个访问者Visitor,这些函数的默认实现就是简单的把调用委派给这个对象,然后依次传递下去形成职责链。当用户需要对字节码进行调整时,只需从ClassAdaptor类派生出一个子类,覆写需要修改的方法,完成相应功能后再把调用传递下去。

二、代码实操

1、生成字节码

            现在我们通过asm生成一个Student类,类定义一个name属性及其getter setter方法


    public class Student{

        private String   name;

        private int  age;

        public void setName(String  name) {
            this.name= name;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

    }

             asm 生成类字节码

        ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);
        /// 定义类名Student  包名使用/分隔
        classWriter.visit(61, ACC_PUBLIC | ACC_SUPER, "org/example/cn/entity/Student", null, "java/lang/Object", null);
        classWriter.visitSource("Student.java", null);
        /// 定义name属性
        FieldVisitor   fieldVisitor = classWriter.visitField(ACC_PRIVATE, "name", "Ljava/lang/String;", null, null);
        fieldVisitor.visitEnd();
        /// 定义age属性
        fieldVisitor = classWriter.visitField(ACC_PRIVATE, "age", "I", null, null);
        fieldVisitor.visitEnd();

        /// 定义空参构造器
        MethodVisitor  methodVisitor = classWriter.visitMethod(ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null, null);
        methodVisitor.visitCode();
        Label initLabelStart = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(initLabelStart);
        methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 0);
        methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V" );
        methodVisitor.visitInsn(RETURN);
        Label initLabelEnd = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(initLabelEnd);
        methodVisitor.visitLocalVariable("this", "Lorg/example/cn/entity/Student;", null, initLabelStart, initLabelEnd, 0);
        methodVisitor.visitMaxs(1, 1);
        methodVisitor.visitEnd();

        /// 定义setName方法
        methodVisitor = classWriter.visitMethod(ACC_PUBLIC, "setName", "(Ljava/lang/String;)V", null, null);
        methodVisitor.visitCode();
        Label setNameLabel0 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(setNameLabel0);
        methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 0);
        methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 1);
        methodVisitor.visitFieldInsn(PUTFIELD, "org/example/cn/entity/Student", "name", "Ljava/lang/String;");
        Label setNameLabel1 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(setNameLabel1);
        methodVisitor.visitInsn(RETURN);
        Label setNameLabel2 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(setNameLabel2);
        methodVisitor.visitLocalVariable("this", "Lorg/example/cn/entity/Student;", null, setNameLabel0, setNameLabel2, 0);
        methodVisitor.visitLocalVariable("name", "Ljava/lang/String;", null, setNameLabel0, setNameLabel2, 1);
        methodVisitor.visitMaxs(2, 2);
        methodVisitor.visitEnd();

        /// 定义getName方法
        methodVisitor = classWriter.visitMethod(ACC_PUBLIC, "getName", "()Ljava/lang/String;", null, null);
        methodVisitor.visitCode();
        Label getNameLabel0 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(getNameLabel0);
        methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 0);
        methodVisitor.visitFieldInsn(GETFIELD, "org/example/cn/entity/Student", "name", "Ljava/lang/String;");
        methodVisitor.visitInsn(ARETURN);
        Label getNameLabel1 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(getNameLabel1);
        methodVisitor.visitLocalVariable("this", "Lorg/example/cn/entity/Student;", null, getNameLabel0, getNameLabel1, 0);
        methodVisitor.visitMaxs(1, 1);
        methodVisitor.visitEnd();

        classWriter.visitEnd();
        byte[] bytes = classWriter.toByteArray();

             将字节流数组生成class文件

    try{
       FileOutputStream   fos = new FileOutputStream("F:/profile/asm/Student.class");
       fos.write(bytes);
       fos.close();
     }catch (Exception e){
       e.fillInStackTrace();
     }

          用idea或其他反编译工具打开,可以看到,生成源码和预想要求完全吻合

 2、分析字节码

            编写适配器逻辑

    public class TargetClassAdapter   extends ClassAdapter {

        private final  static Logger LOGGER =         LoggerFactory.getLogger(TargetClassAdapter.class);

        public TargetClassAdapter(ClassVisitor cv) {
            super(cv);
        }

         /**访问类属性*/
        @Override
        public FieldVisitor visitField(int access, String name, String desc, String signature, Object exceptions) {
            FieldVisitor fieldVisitor = cv.visitField(access, name, desc, signature, exceptions);
            LOGGER.info("visitField <--------> {} {} {}  {} {} ",access,name,desc,signature,exceptions);
            return  fieldVisitor;
    }
    
            /**访问类方法*/
        @Override
        public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
            LOGGER.info("visitMethod <--------> {} {} {}  {} {} ",access,name,desc,signature,exceptions);
            MethodVisitor methodVisitor = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
            return methodVisitor;
        }
    }

             访问类的属性、方法

        ClassReader classReader =   new ClassReader(bytes);
        ClassWriter classWriter  =  new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
        setMethod(classWriter);
        ClassVisitor classVisitor = new TargetClassAdapter(classWriter);
        classReader.accept(classVisitor,ClassReader.SKIP_DEBUG);

           这可以将类的属性和方法全部获取

三、ASM应用

       在java的许多框架里面,都能找到ASM的身影,比如AOP编程就可以利visitMethod对指定方法就行拦截,做前置后置增强,还有比如常用的插件Lombok就是利用ASM添加的setter getter方法。MyBatis的Mapper接口实现是通过动态代理实现,现在可以使用ASM动态创建实现了字节码来实现。

  1、定义接口

         定义StudentMapper接口

package org.example.cn.mapper;
import java.util.List;

public interface StudentMapper {
    List<String>  findStudentList();
}

2、生成实现类

        使用ASM生成实现类StudentMapperImpl

        ClassWriter classWriter = new ClassWriter(0);
        /// 参数列表第3个参数表示继承的父类,第4个参数表示实现的接口
        classWriter.visit(61, ACC_PUBLIC | ACC_SUPER, "org/example/cn/mapper/StudentMapperImpl", null, "java/lang/Object", new String[]{"org/example/cn/mapper/StudentMapper"});
        classWriter.visitSource("StudentMapperImpl.java", null);

        /// 定义构造器
        MethodVisitor  methodVisitor = classWriter.visitMethod(ACC_PUBLIC, "<init>", "()V", null, null);
        methodVisitor.visitCode();
        Label initLabel0 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(initLabel0);
        methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 0);
        methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/Object", "<init>", "()V");
        methodVisitor.visitInsn(RETURN);
        Label initLabel1 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(initLabel1);
        /// 局部变量表,槽位的0处放的是this变量
        methodVisitor.visitLocalVariable("this", "Lorg/example/cn/mapper/StudentMapperImpl;", null, initLabel0, initLabel1, 0);
        methodVisitor.visitMaxs(1, 1);
        methodVisitor.visitEnd();

        /// 重写findStudentList方法
        methodVisitor = classWriter.visitMethod(ACC_PUBLIC, "findStudentList", "()Ljava/util/List;", "()Ljava/util/List<Ljava/lang/String;>;", null);
        methodVisitor.visitCode();
        Label label0 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(label0);
        ///  new ArrayList()
        methodVisitor.visitTypeInsn(NEW, "java/util/ArrayList");
        methodVisitor.visitInsn(DUP);
        methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/util/ArrayList", "<init>", "()V");
        methodVisitor.visitVarInsn(ASTORE, 1);
        Label label1 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(label1);
        /// 压栈
        methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 1);
        /// 赋值
        methodVisitor.visitLdcInsn("\u9648\u7476");
        ///调用add方法
        methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKEINTERFACE, "java/util/List", "add", "(Ljava/lang/Object;)Z");
        /// 出栈
        methodVisitor.visitInsn(POP);
        Label label2 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(label2);
        methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 1);
        methodVisitor.visitLdcInsn("\u674e\u73b0");
        methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKEINTERFACE, "java/util/List", "add", "(Ljava/lang/Object;)Z");
        methodVisitor.visitInsn(POP);
        Label label3 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(label3);
        methodVisitor.visitLineNumber(11, label3);
        methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 1);
        methodVisitor.visitLdcInsn("\u91d1\u6668");
        methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKEINTERFACE, "java/util/List", "add", "(Ljava/lang/Object;)Z");
        methodVisitor.visitInsn(POP);
        Label label4 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(label4);
        methodVisitor.visitLineNumber(12, label4);
        methodVisitor.visitVarInsn(ALOAD, 1);
        methodVisitor.visitInsn(ARETURN);
        Label label5 = new Label();
        methodVisitor.visitLabel(label5);
        methodVisitor.visitLocalVariable("this", "Lorg/example/cn/mapper/StudentMapperImpl;", null, label0, label5, 0);
        methodVisitor.visitLocalVariable("list", "Ljava/util/List;", "Ljava/util/List<Ljava/lang/String;>;", label1, label5, 1);
        methodVisitor.visitMaxs(2, 2);
        methodVisitor.visitEnd();

        classWriter.visitEnd();
        byte[] bytes = classWriter.toByteArray();

        字节码jjava源码

public class StudentMapperImpl implements StudentMapper {

    public List<String> findStudentList() {
        List<String> list = new ArrayList();
        list.add("陈瑶");
        list.add("李现");
        list.add("金晨");
        return list;
    }
}

3、加载实现类

          自定义类加载器加载StudentMapperImpl字节码

public class MyClassLoader  extends  ClassLoader{
 
    /// 类名全路径
    private final String   className;

    /// 字节码
    private final byte[]  bytes;

    public MyClassLoader( String  className,byte[]  bytes){
        this.className = className;
        this.bytes = bytes;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return  defineClass(className,bytes,0,bytes.length);
    }
}

         加载类

    String className = "org.example.cn.mapper.StudentMapperImpl";
    MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader(className, bytes);
    Class<?>  clz =  myClassLoader.loadClass(className);

4、调用实现类

    ◆ 方法1

        利用构造器直接反射创建实例

   /// Class<?> aClass = Class.forName("org.example.cn.mapper.StudentMapperImpl");
   StudentMapper studentMapper = (StudentMapper) clz.getConstructor().newInstance();
   List<String> studentList = studentMapper.findStudentList();
   System.out.println("studentList---"+studentList);
    ◆ 方法2

       动态代理实例化接口

    StudentMapper studentMapper = (StudentMapper) Proxy.newProxyInstance(myClassLoader, new Class[]{StudentMapper.class}, (proxy, method, args1) -> method.invoke(clz.getConstructor().newInstance(), args1));
    List<String> studentList = studentMapper.findStudentList();
    System.out.println("studentList---"+studentList);

        运行结果

   

      ASM 操作字节码功能强大,但是有一定难度,需要对jvm字节码比较熟悉,用起来才会游刃有余,这种黑科技更适合造轮子框架,平常业务开发基本上很难碰到合适的应用场景。 

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