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【趣味设计模式系列】之【代理模式4--ASM框架解析】

 

1. 简介

ASM是assemble英文的简称，中文名为汇编，官方地址https://asm.ow2.io/，下面是官方的一段英文简介：

ASM is an all purpose Java bytecode manipulation and analysis framework. It can be used to modify existing classes or to dynamically generate classes, directly in binary form. ASM provides some common bytecode transformations and analysis algorithms from which custom complex transformations and code analysis tools can be built. ASM offers similar functionality as other Java bytecode frameworks, but is focused on performance. Because it was designed and implemented to be as small and as fast as possible, it is well suited for use in dynamic systems (but can of course be used in a static way too, e.g. in compilers).

ASM is used in many projects, including:

  • the OpenJDK, to generate the lambda call sites, and also in the Nashorn compiler,
  • the Groovy compiler and the Kotlin compiler,
  • Cobertura and Jacoco, to instrument classes in order to measure code coverage,
  • CGLIB, to dynamically generate proxy classes (which are used in other projects such as Mockito and EasyMock),
  • Gradle, to generate some classes at runtime.

翻译如下：
ASM是一个通用的Java字节码操作和分析框架。它可用于修改现有的类或直接以二进制形式动态生成类。ASM提供了一些常见的字节码转换和分析算法，从中可以构建定制的复杂转换和代码分析工具。ASM提供了与其他Java字节码框架类似的功能，但侧重于性能。因为它被设计和实现得尽可能的小和快，所以它非常适合在动态系统中使用(当然也可以以静态的方式使用，例如在编译器中)。
主要用途:

  • OpenJDK，用来生成lambda调用站点，还有在Nashorn编译器中，
  • Groovy编译器和Kotlin编译器，
  • Cobertura和Jacoco，用来测量代码覆盖率，
  • CGLIB为了动态生成代理类(在其他项目中使用，如mock和EasyMock)，
  • Gradle在运行时生成一些类。

2. 框架使用

官方提供了使用手册，地址：https://asm.ow2.io/asm4-guide.pdf，引入依赖

<dependency>
      <groupId>asm</groupId>
      <artifactId>asm-all</artifactId>
      <version>3.3.1</version>
</dependency>

下面结合例子分析

2.1 ClassReader--解析一个类文件

创建一个T1类

package com.wzj.asm;

/**
 * 光标必须位于类体内，View-Show ByteCode
 */

public class T1 {
    int i = 0;
    public void m() {
        int j=1;
    }

}

在idea中的安装插件ByteCode插件

然后通过idea中的View菜单->show bytecode看到字节码文件


下面的ClassPrinter类用来实现解析T1.Class这个类

package com.wzj.asm;

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

import java.io.IOException;

import static org.objectweb.asm.Opcodes.ASM4;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/8/5 21:29
 * @Desc: 解析一个类
 */
public class ClassPrinter extends ClassVisitor {
    public ClassPrinter() {
        super(ASM4);
    }

    @Override
    public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) {
        System.out.println(name + " extends " + superName + "{" );
    }

    @Override
    public FieldVisitor visitField(int access, String name, String descriptor, String signature, Object value) {
        System.out.println("    " + name);
        return null;
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
        System.out.println("    " + name + "()");
        return null;
    }

    @Override
    public void visitEnd() {

        System.out.println("}");
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ClassPrinter cp = new ClassPrinter();
        ClassReader cr = new ClassReader(
                ClassPrinter.class.getClassLoader().getResourceAsStream("com/wzj/asm/T1.class"));


        cr.accept(cp, 0);
    }
}

visit方法访问类的类名、父类等信息，visitField方法访问类的属性信息，visitMethod方法访问类的方法信息，最后打印出该类的信息

2.2 ClassWriter--生成一个类文件

package com.wzj.asm;

import org.objectweb.asm.ClassWriter;

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;

import static org.objectweb.asm.Opcodes.*;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/8/5 21:26
 * @Desc: 生成一个类
 */
public class ClassWriterTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
        cw.visit(V1_8, ACC_PUBLIC + ACC_ABSTRACT + ACC_INTERFACE,
                "pkg/Comparable", null, "java/lang/Object",
                null);
        cw.visitField(ACC_PUBLIC + ACC_FINAL + ACC_STATIC, "LESS", "I",
                null, -1).visitEnd();
        cw.visitField(ACC_PUBLIC + ACC_FINAL + ACC_STATIC, "EQUAL", "I",
                null, 0).visitEnd();
        cw.visitField(ACC_PUBLIC + ACC_FINAL + ACC_STATIC, "GREATER", "I",
                null, 1).visitEnd();
        cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_ABSTRACT, "compareTo",
                "(Ljava/lang/Object;)I", null, null).visitEnd();
        cw.visitEnd();
        byte[] b = cw.toByteArray();

        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader();
        Class c = myClassLoader.defineClass("pkg.Comparable", b);
        System.out.println(c.getMethods()[0].getName());

        String path = (String)System.getProperties().get("user.dir");
        File f = new File(path + "/com/wzj/asm/");
        f.mkdirs();
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File(path + "/com/wzj/asm/Comparable.class"));
        fos.write(b);
    }
}

自定义一个类加载器

package com.wzj.asm;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/8/5 21:26
 * @Desc: 自定义类加载器
 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader{
    public Class defineClass(String name, byte[] b) {
        return defineClass(name, b, 0, b.length);
    }
}

生成的类文件如下

package pkg;

public interface Comparable {
    int LESS = -1;
    int EQUAL = 0;
    int GREATER = 1;

    int compareTo(Object var1);
}

2.3 利用ClassVisitor对原始类方法增强功能

依然使用之前代理系列的例子Apple类

package com.wzj.asm;

import com.wzj.proxy.v8.Sellalbe;

import java.util.Random;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/8/3 10:29
 * @Desc: 待销苹果
 */
public class Apple implements Sellalbe {

    @Override
    public void secKill() {
        System.out.println("苹果正在秒杀中...");
        try {
            Thread.sleep(new Random().nextInt(3000));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

ClassTransformedTest类，内部类ClassVisitor实现父类的方法visitMethod，并在方法中判断目标方法为secKill时，对该方法增加TimeProxy.before()方法，代码如下

package com.wzj.asm;

import org.objectweb.asm.*;

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;

import static org.objectweb.asm.Opcodes.ASM4;
import static org.objectweb.asm.Opcodes.INVOKESTATIC;


/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/9/1 21:10
 * @Desc: 类方法增强
 */
public class ClassTransformedTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ClassReader cr = new ClassReader(
                ClassPrinter.class.getClassLoader().getResourceAsStream("com/wzj/asm/Apple.class"));

        ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
        ClassVisitor cv = new ClassVisitor(ASM4, cw) {
            //增强secKill方法, 在方法里加入时间代理
            @Override
            public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) {
                MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
                return new MethodVisitor(ASM4, mv) {
                    @Override
                    public void visitCode() {
                        if(name.equals("secKill")) {
                            visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/wzj/asm/TimeProxy","before", "()V", false);
                            super.visitCode();
                        }
                    }
                };
            }
        };


        cr.accept(cv, 0);
        byte[] b2 = cw.toByteArray();

        MyClassLoader cl = new MyClassLoader();
        Class c2 = cl.defineClass("com.wzj.asm.Apple", b2);
        c2.getConstructor().newInstance();


        String path = (String)System.getProperties().get("user.dir");
        File f = new File(path + "/com/wzj/asm/");

        if(!f.exists()) {
            f.mkdirs();
        }

        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File(path + "/com/wzj/asm/Apple.class"));
        fos.write(b2);
        fos.flush();
        fos.close();

    }
}

最终生成的增强类如下

package com.wzj.asm;

import com.wzj.proxy.v8.Sellalbe;
import java.util.Random;

public class Apple implements Sellalbe {
    public Apple() {
    }

    public void secKill() {
        TimeProxy.before();
        System.out.println("苹果正在秒杀中...");

        try {
            Thread.sleep((long)(new Random()).nextInt(3000));
        } catch (InterruptedException var2) {
            var2.printStackTrace();
        }

    }
}

3. 框架剖析

ASM的核心类是ClassVisitor、MethodVisitor，通过访问者模式，对字节码文件类的信息、方法的信息进行增加或者修改，因为对于一个java的class类，它的结构是完全固定的，包括大致10几项，分别为Magic（魔数）、Version（版本）、Constant Pool（常量池）、Access_flag（访问标识）、This Class（本实例指针）、Super Class（父类实例指针）、Interfaces（接口）、Fields（字段）、Methods（方法）、Class attributes（类属性）等。

在 ASM 中，ClassReader 类，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。它会调用 accept 方法，这个方法接受一个实现了 ClassVisitor 接口的对象实例作为参数，然后依次调用 ClassVisitor 接口的各个方法。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。在这个过程中用户无法对操作进行干涉，所以遍历的算法是确定的，用户可以做的是提供不同的 Visitor 来对字节码树进行不同的修改。

ClassVisitor 会产生一些子过程，比如 visitMethod 会返回一个实现 MethordVisitor 接口的实例， visitField 会返回一个实现 FieldVisitor 接口的实例，完成子过程后控制返回到父过程，继续访问下一节点。因此对于 ClassReader 来说，其内部顺序访问是有一定要求的。实际上用户还可以不通过 ClassReader 类，自行手工控制这个流程，只要按照一定的顺序，各个 visit 事件被先后正确的调用，最后就能生成可以被正确加载的字节码。当然获得更大灵活性的同时也加大了调整字节码的复杂度。

各个 ClassVisitor 通过职责链 （Chain-of-responsibility） 模式，可以非常简单的封装对字节码的各种修改，而无须关注字节码的字节偏移，因为这些实现细节对于用户都被隐藏了，用户要做的只是覆写相应的 visit 函数。官方给出了如下图说明通过责任链修改类，分别代表简单责任链与复杂责任链下各种的应用

ClassAdaptor 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。这样，用户无需考虑字节偏移，就可以很方便的控制字节码。官方也给出了一个适配器模式的图

每个 ClassAdaptor 类的派生类可以仅封装单一功能，比如删除某函数、修改字段可见性等等，然后再加入到职责链中，这样耦合更小，重用的概率也更大，但代价是产生很多小对象，而且职责链的层次太长的话也会加大系统调用的开销，用户需要在低耦合和高效率之间作出权衡。


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本文作者：小猪爸爸
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