2011年2月23日星期三

Java字节码框架ASM-读写字节码的用法


    目前,最新的ASM是3.3.1版本的,整个学习笔记,也围绕着3.3.1这个版本来展开。
    在ASM3.3.1中,提供了7个jar包,分别是
         asm-3.3.1.jar
         asm-commons-3.3.1.jar
         asm-tree-3.3.1.jar
         asm-analysis-3.3.1.jar
         asm-util-3.3.1.jar
         asm-xml-3.3.1.jar


         参看ASM的javadoc(http://asm.ow2.org/asm33/javadoc/user/index.html),可以看到一共有7个package,package和jar的对应关系如下
         asm-3.3.1.jar 包含了org.objectweb.asm和org.objectweb.asm.signature两个packages
         asm-commons-3.3.1.jar包含了org.objectweb.asm.commons这个package
         asm-tree-3.3.1.jar 包含了org.objectweb.asm.tree这个package
         asm-analysis-3.3.1.jar包含了org.objectweb.asm.tree.analysis这个package
         asm-util-3.3.1.jar包含了org.objectweb.asm.util这个package
         asm-xml-3.3.1.jar包含了org.objectweb.asm.xml这个package


         其中asm-3.3.1.jar,是包含了核心的功能,而其他的jar,都是基于这个核心的扩展。
         那么我们就从最核心的部分说起。


         如大家所了解的,ASM是一个操作字节码(bytecode)的框架,非常的小巧和快速,这个asm-3.3.1.jar,只有43k的大小。
         asm提供了字节码的读写的功能。而asm的核心,采用的是visitor的模式,提供了ClassReader和ClassWriter这两个非常重要的类以及ClassVisitor这个核心的接口。
         ClassReader的职责是读取字节码。可以用InputStream、byte数组、类名(需要ClassLoader.getSystemResourceAsStream能够加载到的class文件)作为构造函数的参数构造ClassReader对象,来读取字节码。而ClassReader的工作,就是根据字节码的规范,从输入中读取bytecode。而通过ClassReader对象,获取bytecode信息有两种方式,一种就是采用visitor的模式,传入一个ClassVisitor对象给ClassReader的accept方法。另外一种,是使用Low Level的方式,使用ClassReader提供了readXXX以及getXXX的方法来获取信息。
         对于一般使用,用ClassReader的accept方法,使用visitor模式就可以了。


         那么接着我们来看一下ClassVisitor。
         ClassVisitor这个接口,定义了一系列的visit方法,而这些visit方法,我们通过实现ClassVisitor接口中的visit方法(其实就是一堆的回调函数),就能够得到相应的信息。
         在asm中,ClassAdapter这个类,用asm的javadoc上的话说,就是一个代理到其他ClassVisitor的一个空的ClassVisitor(An empty ClassVisitor that delegates to another ClassVisitor.)。具体来说,构造ClassAdapter对象的时候,需要传递一个ClassVisitor的对象给ClassAdapter的构造函数,而ClassAdapter对ClassVisitor的实现,就是直接调用这个传给ClassAdapter的ClassVisitor对象的对应visit方法。
         后面我们会看到一个使用ClassAdapter的例子。
         
         说到这里,我们主要介绍了ClassReader这个类,ClassVisitor这个接口以及ClassAdapter。那么我们先看一个简单的例子,是使用ClassReader和ClassVisitor的一个示例。


package org.vanadies.bytecode.example.asm3;


import java.io.IOException;


import org.objectweb.asm.AnnotationVisitor;
import org.objectweb.asm.Attribute;
import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.FieldVisitor;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;


public class ClassReaderExample {
    private static class MyClassVisitor implements ClassVisitor {


        @Override
        public void visit(int version, int access, String name,
                String signature, String superName, String[] interfaces) {
            System.out.println("class name:" + name);
            System.out.println("super class name:" + superName);
            System.out.println("class version:" + version);
            System.out.println("class access:" + access);
            System.out.println("class signature:" + signature);
            if(interfaces != null && interfaces.length > 0){
                for(String str : interfaces){
                    System.out.println("implemented interface name:" + str);
                }
            }
            
        }


        @Override
        public void visitSource(String source, String debug) {
        }


        @Override
        public void visitOuterClass(String owner, String name, String desc) {
        }


        @Override
        public AnnotationVisitor visitAnnotation(String desc, boolean visible) {
            return null;
        }


        @Override
        public void visitAttribute(Attribute attr) {
        
        }


        @Override
        public void visitInnerClass(String name, String outerName,
                String innerName, int access) {
        }


        @Override
        public FieldVisitor visitField(int access, String name, String desc,
                String signature, Object value) {
            return null;
        }


        @Override
        public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc,
                String signature, String[] exceptions) {
            return null;
        }


        @Override
        public void visitEnd() {
            
        }
    }
    
    public static void main(String args[]) throws IOException{
        ClassReader classReader = new ClassReader("java.lang.String");
        classReader.accept(new MyClassVisitor(), 0);
    }
}
    这个简单的例子,打印了String这个类的基本信息。
    从上面的例子看,ClassVisitor这个接口的方法中,有些返回值是void,有些是返回了XXXXVisitor。
    这里,返回XXXVisitor的,我们举个例子,比如visitMethod这个方法,返回的是MethodVisitor。这里,在visitMethod的方法中,给出了Method的基本信息,如果需要去获取Method内部的详细的信息(包括代码,注解等),那么需要返回一个MethodVisitor对象出去,如果返回null,那么在ClassReader中,就不会去展开对这个Method的详细信息进行遍历了。
    除了MethodVisitor,还有,AnnotationVisitor,FieldVisitor。
    另外,在org.objectweb.asm.signature这个包中,有一个SignatureVisitor以及SignatureReader和SignatureWriter,这个是处理Signature的。
    而除了ClassAdapter外还有MethodAdapter,作用类似与ClassAdapter,只是MethodAdapter是针对MethodVisitor的。




    到这里,我们已经了解了如何读取bytecode的信息了,也了解了如何使用ClassReader和ClassVisitor了。 接下来,我们要看一下,如果使用ClassWriter这个类了。

 ClassWriter,顾名思义,是用来写字节码的。ClassWriter实现了ClassVisitor这个接口。这里可能大家会觉得奇怪,ClassReader什么接口都没有实现,为啥ClassWriter要实现ClassVisitor的接口呢?ClassWriter只要提供了方法,让我写字节码就行了哇。
大家还记得,通过ClassReader获取类的字节码,有两种方式,一种是使用Visitor模式,这种方法很简单,前面也有demo,另外是使用low level的get和read来进行,这个很复杂。而如果ClassWriter提供的是low level的put和write这类的方法,会提高门槛,很不好用。而ClassWriter实现了ClassVisitor接口,那么就能够很好的跟ClassReader的Visitor模式结合起来。并且,我们使用ASM操作字节码,在写方面更多的是修改、添加和删除,而不是用ASM来完全去写新的class。
ClassWriter中,还有一个toByteArray的方法,这个是把ClassWriter对象生成的字节码,写到一个byte数组中。用于我们来获取字节码的最终结果。
那么,我们可以做一个很简单的例子。就是把ClassWriter对象作为ClassReader accept方法的参数,传给ClassReader,然后在accept方法结束后,我们用ClassWriter对象的toByteArray方法,就能够获得类的字节码了。
这个例子,就不贴源码了,有兴趣的同学,可以自己搞一下。
那么,我们把ClassWriter用在哪里呢?上文提到了,删除、修改、增加。那么一般来说,删除我们是不太用的。主要是修改和增加。
比方说我们如果自己要做AOP,用到的就是修改和增加。假如我有一个类,其中有一个execute方法,我如果自己做AOP,我可以把这个execute方法改名,比如叫做execute$1,然后我增加一个execute方法,新的execute方法中,我可以调用原来的execute方法(现在是execute$1)了,并且在调用前后做一个处理。
我们来看一下具体代码


package org.vanadies.bytecode.example.asm3;


import org.objectweb.asm.ClassAdapter;
import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;


public class ClassWriterAopExample {
    public static class Foo {
        public void execute(){
            System.out.println("Hello World");
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Foo foo = new Foo();
        foo.execute();
        ClassReader cr = new ClassReader(Foo.class.getName());
        ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
        cr.accept(new ClassAdapter(cw){
            @Override
            public void visit(
                    final int version,
                    final int access,
                    final String name,
                    final String signature,
                    final String superName,
                    final String[] interfaces)
                {
                    cv.visit(version, access, name + "$1", signature, superName, interfaces);
                }


            @Override
            public MethodVisitor visitMethod(
                    final int access,
                    final String name,
                    final String desc,
                    final String signature,
                    final String[] exceptions)
                {
                    if("execute".equals(name)){
                        //这里只是简单的比较了方法名字,其实还需要比较方法参数,参数信息在desc中
                        return cv.visitMethod(access, name + "$1", desc, signature, exceptions);
                    }
                    return cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
                }
            
        }, 0);
        //到这里,如果调用cr.toByteArray,生成的字节码中,已经没有execute方法了,而是execute$1
        
        //我们接着需要增加一个execute方法
        MethodVisitor mv = cw.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC, "execute",
                "()V", null,
                null);
        //开始增加代码
        mv.visitCode();
        //接下来,我们需要把新的execute方法的内容,增加到这个方法中
        mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
        mv.visitLdcInsn("Before execute");
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V"); 
        mv.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 0);
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "org/vanadies/bytecode/example/asm3/ClassWriterAopExample$Foo$1", "execute$1", "()V");
        mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
        mv.visitLdcInsn("End execute");
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V");
        mv.visitInsn(Opcodes.RETURN);
        mv.visitMaxs(0, 0); //这个地方,最大的操作数栈和最大的本地变量的空间,是自动计算的,是因为构造ClassWriter的时候使用了ClassWriter.COMPUTE_MAXS
        mv.visitEnd();
        //到这里,就完成了execute方法的添加。
        //可以把字节码写入到文件,用javap -c,来看下具体的内容
    }
}
这个代码,要比之前的ClassReader的例子要复杂一些。主要复杂的地方在重写execute方法那里,其实就是类似在用汇编在写代码。具体怎么来写或者生产这个代码,有很多办法。
我们这里只是先展示一下如果能够去修改字节码。这个例子展示了,修改原有方法名字,以及增加方法的做法,其他的增加字段等,都可以通过ClassWriter来处理。
具体在运行时能够改变类的行为,我们可以通过Instrumentation的方式或者采用自己实现的ClassLoader的方式来处理。上面例子中,只是展示了如何修改字节码,这个和实际在运行时达到AOP的效果,还是有距离的。

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