Java ASM 技术简介

向右看齐 2022-05-13 07:20 136阅读 0赞

## 什么是ASM ##

ASM 是一个 Java 字节码操控框架。它能被用来动态生成类或者增强既有类的功能。ASM 可以直接产生二进制 class 文件，也可以在类被加载入 Java 虚拟机之前动态改变类行为。Java class 被存储在严格格式定义的 .class 文件里，这些类文件拥有足够的元数据来解析类中的所有元素：类名称、方法、属性以及 Java 字节码（指令）。ASM 从类文件中读入信息后，能够改变类行为，分析类信息，甚至能够根据用户要求生成新类。

与 BCEL 和 SERL 不同，ASM 提供了更为现代的编程模型。对于 ASM 来说，Java class 被描述为一棵树；使用 “Visitor” 模式遍历整个二进制结构；事件驱动的处理方式使得用户只需要关注于对其编程有意义的部分，而不必了解 Java 类文件格式的所有细节：ASM 框架提供了默认的 “response taker”处理这一切。

## 为什么要动态生成Java类 ##

动态生成 Java 类与 AOP 密切相关的。AOP 的初衷在于软件设计世界中存在这么一类代码，零散而又耦合：零散是由于一些公有的功能（诸如著名的 log 例子）分散在所有模块之中；同时改变 log 功能又会影响到所有的模块。出现这样的缺陷，很大程度上是由于传统的 面向对象编程注重以继承关系为代表的“纵向”关系，而对于拥有相同功能或者说方面 （Aspect）的模块之间的“横向”关系不能很好地表达。例如，目前有一个既有的银行管理系统，包括 Bank、Customer、Account、Invoice 等对象，现在要加入一个安全检查模块， 对已有类的所有操作之前都必须进行一次安全检查。

然而 Bank、Customer、Account、Invoice 是代表不同的事务，派生自不同的父类，很难在高层上加入关于 Security Checker 的共有功能。对于没有多继承的 Java 来说，更是如此。传统的解决方案是使用 Decorator 模式，它可以在一定程度上改善耦合，而功能仍旧是分散的 —— 每个需要 Security Checker 的类都必须要派生一个 Decorator，每个需要 Security Checker 的方法都要被包装（wrap）。下面我们以 Account类为例看一下 Decorator：

首先，我们有一个 SecurityChecker类，其静态方法 checkSecurity执行安全检查功能：

public class SecurityChecker { 
        public static void checkSecurity() { 
            System.out.println("SecurityChecker.checkSecurity ..."); 
            //TODO real security check 
        }  
    }

另一个是 Account类：

public class Account { 
        public void operation() { 
            System.out.println("operation..."); 
            //TODO real operation 
        } 
    }

若想对 operation加入对 SecurityCheck.checkSecurity()调用，标准的 Decorator 需要先定义一个 Account类的接口：

public interface Account { 
        void operation(); 
    }

然后把原来的 Account类定义为一个实现类：

public class AccountImpl extends Account{ 
        public void operation() { 
            System.out.println("operation..."); 
            //TODO real operation 
        } 
    }

定义一个 Account类的 Decorator，并包装 operation方法：

public class AccountWithSecurityCheck implements Account {     
        private  Account account; 
        public AccountWithSecurityCheck (Account account) { 
            this.account = account; 
        } 
        public void operation() { 
            SecurityChecker.checkSecurity(); 
            account.operation(); 
        } 
    }

在这个简单的例子里，改造一个类的一个方法还好，如果是变动整个模块，Decorator 很快就会演化成另一个噩梦。动态改变 Java 类就是要解决 AOP 的问题，提供一种得到系统支持的可编程的方法，自动化地生成或者增强 Java 代码。这种技术已经广泛应用于最新的 Java 框架内，如 Hibernate，Spring 等。

## 为什么选择ASM ##

最直接的改造 Java 类的方法莫过于直接改写 class 文件。Java 规范详细说明了 class 文件的格式，直接编辑字节码确实可以改变 Java 类的行为。直到今天，还有一些 Java 高手们使用最原始的工具，如 UltraEdit 这样的编辑器对 class 文件动手术。是的，这是最直接的方法，但是要求使用者对 Java class 文件的格式了熟于心：小心地推算出想改造的函数相对文件首部的偏移量，同时重新计算 class 文件的校验码以通过 Java 虚拟机的安全机制。

Java 5 中提供的 Instrument 包也可以提供类似的功能：启动时往 Java 虚拟机中挂上一个用户定义的 hook 程序，可以在装入特定类的时候改变特定类的字节码，从而改变该类的行为。但是其缺点也是明显的：  
\- Instrument 包是在整个虚拟机上挂了一个钩子程序，每次装入一个新类的时候，都必须执行一遍这段程序，即使这个类不需要改变。  
\- 直接改变字节码事实上类似于直接改写 class 文件，无论是调用 ClassFileTransformer. transform(ClassLoader loader, String className, Class classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte\[\] classfileBuffer)，还是 Instrument.redefineClasses(ClassDefinition\[\] definitions)，都必须提供新 Java 类的字节码。也就是说，同直接改写 class 文件一样，使用 Instrument 也必须了解想改造的方法相对类首部的偏移量，才能在适当的位置上插入新的代码。

尽管 Instrument 可以改造类，但事实上，Instrument 更适用于监控和控制虚拟机的行为。

首先，Proxy 编程是面向接口的。下面我们会看到，Proxy 并不负责实例化对象，和 Decorator 模式一样，要把 Account定义成一个接口，然后在 AccountImpl里实现 Account接口，接着实现一个 InvocationHandlerAccount方法被调用的时候，虚拟机都会实际调用这个 InvocationHandler的 invoke方法：

```
    最后，在应用程序中指定 InvocationHandler生成代理对象：
    ```java
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

其不足之处在于：  
\- Proxy 是面向接口的，所有使用 Proxy 的对象都必须定义一个接口，而且用这些对象的代码也必须是对接口编程的：Proxy 生成的对象是接口一致的而不是对象一致的：例子中 Proxy.newProxyInstance生成的是实现 Account接口的对象而不是 AccountImpl的子类。这对于软件架构设计，尤其对于既有软件系统是有一定掣肘的。  
\- Proxy 毕竟是通过反射实现的，必须在效率上付出代价：有实验数据表明，调用反射比一般的函数开销至少要大 10 倍。而且，从程序实现上可以看出，对 proxy class 的所有方法调用都要通过使用反射的 invoke 方法。因此，对于性能关键的应用，使用 proxy class 是需要精心考虑的，以避免反射成为整个应用的瓶颈。

ASM 能够通过改造既有类，直接生成需要的代码。增强的代码是硬编码在新生成的类文件内部的，没有反射带来性能上的付出。同时，ASM 与 Proxy 编程不同，不需要为增强代码而新定义一个接口，生成的代码可以覆盖原来的类，或者是原始类的子类。它是一个普通的 Java 类而不是 proxy 类，甚至可以在应用程序的类框架中拥有自己的位置，派生自己的子类。

相比于其他流行的 Java 字节码操纵工具，ASM 更小更快。ASM 具有类似于 BCEL 或者 SERP 的功能，而只有 33k 大小，而后者分别有 350k 和 150k。同时，同样类转换的负载，如果 ASM 是 60% 的话，BCEL 需要 700%，而 SERP 需要 1100% 或者更多。

ASM 已经被广泛应用于一系列 Java 项目：AspectWerkz、AspectJ、BEA WebLogic、IBM AUS、OracleBerkleyDB、Oracle TopLink、Terracotta、RIFE、EclipseME、Proactive、Speedo、Fractal、EasyBeans、BeanShell、Groovy、Jamaica、CGLIB、dynaop、Cobertura、JDBCPersistence、JiP、SonarJ、Substance L&F、Retrotranslator 等。Hibernate 和 Spring 也通过 cglib，另一个更高层一些的自动代码生成工具使用了 ASM。

使用 ASM 动态生成类，不需要像早年的 class hacker 一样，熟知 class 文件的每一段，以及它们的功能、长度、偏移量以及编码方式。ASM 会给我们照顾好这一切的，我们只要告诉 ASM 要改动什么就可以了 —— 当然，我们首先得知道要改什么：对类文件格式了解的越多，我们就能更好地使用 ASM 这个利器。

### ASM 3.0 编程框架 ###

ASM 通过树这种数据结构来表示复杂的字节码结构，并利用 Push 模型来对树进行遍历，在遍历过程中对字节码进行修改。所谓的 Push 模型类似于简单的 Visitor 设计模式，因为需要处理字节码结构是固定的，所以不需要专门抽象出一种 Vistable 接口，而只需要提供 Visitor 接口。所谓 Visitor 模式和 Iterator 模式有点类似，它们都被用来遍历一些复杂的数据结构。Visitor 相当于用户派出的代表，深入到算法内部，由算法安排访问行程。Visitor 代表可以更换，但对算法流程无法干涉，因此是被动的，这也是它和 Iterator 模式由用户主动调遣算法方式的最大的区别。

在 ASM 中，提供了一个 ClassReader类，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。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。

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。

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。用户可以通过控制职责链中 visit 事件的过程，对类文件进行如下操作：  
1. 删除类的字段、方法、指令：只需在职责链传递过程中中断委派，不访问相应的 visit 方法即可，比如删除方法时只需直接返回 null，而不是返回由 visitMethod方法返回的 MethodVisitor对象。

class DelLoginClassAdapter extends ClassAdapter { 
        public DelLoginClassAdapter(ClassVisitor cv) { 
            super(cv); 
        } 
    
        public MethodVisitor visitMethod(final int access, final String name, 
            final String desc, final String signature, final String[] exceptions) { 
            if (name.equals("login")) { 
                return null; 
            } 
            return cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions); 
        } 
    }
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

1.  修改类、字段、方法的名字或修饰符：在职责链传递过程中替换调用参数。

class AccessClassAdapter extends ClassAdapter { 
        public AccessClassAdapter(ClassVisitor cv) { 
            super(cv); 
        } 
    
        public FieldVisitor visitField(final int access, final String name, 
           final String desc, final String signature, final Object value) { 
           int privateAccess = Opcodes.ACC_PRIVATE; 
           return cv.visitField(privateAccess, name, desc, signature, value); 
       } 
    }
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

1.  增加新的类、方法、字段  
    ASM 的最终的目的是生成可以被正常装载的 class 文件，因此其框架结构为客户提供了一个生成字节码的工具类 —— ClassWriter。它实现了 ClassVisitor接口，而且含有一个 toByteArray()函数，返回生成的字节码的字节流，将字节流写回文件即可生产调整后的 class 文件。一般它都作为职责链的终点，把所有 visit 事件的先后调用（时间上的先后），最终转换成字节码的位置的调整（空间上的前后），如下例：

ClassWriter  classWriter = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS); 
    ClassAdaptor delLoginClassAdaptor = new DelLoginClassAdapter(classWriter); 
    ClassAdaptor accessClassAdaptor = new AccessClassAdaptor(delLoginClassAdaptor); 
    
    ClassReader classReader = new ClassReader(strFileName); 
    classReader.accept(classAdapter, ClassReader.SKIP_DEBUG);
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

综上所述，ASM 的时序图如下：  
![image][]

## 使用 ASM3.0 进行 AOP 编程 ##

我们还是用上面的例子，给 Account类加上 security check 的功能。与 proxy 编程不同，ASM 不需要将 Account声明成接口，Account可以仍旧是一个实现类。ASM 将直接在 Account类上动手术，给 Account类的 operation方法首部加上对 SecurityChecker.checkSecurity的调用。

首先，我们将从 ClassAdapter继承一个类。ClassAdapter是 ASM 框架提供的一个默认类，负责沟通 ClassReader和 ClassWriter。如果想要改变 ClassReader处读入的类，然后从 ClassWriter处输出，可以重写相应的 ClassAdapter函数。这里，为了改变 Account类的 operation 方法，我们将重写 visitMethdod方法。

class AddSecurityCheckClassAdapter extends ClassAdapter {
    
        public AddSecurityCheckClassAdapter(ClassVisitor cv) {
            //Responsechain 的下一个 ClassVisitor，这里我们将传入 ClassWriter，
            // 负责改写后代码的输出
            super(cv); 
        } 
    
        // 重写 visitMethod，访问到 "operation" 方法时，
        // 给出自定义 MethodVisitor，实际改写方法内容
        public MethodVisitor visitMethod(final int access, final String name, 
            final String desc, final String signature, final String[] exceptions) { 
            MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature,exceptions);
            MethodVisitor wrappedMv = mv; 
            if (mv != null) { 
                // 对于 "operation" 方法
                if (name.equals("operation")) { 
                    // 使用自定义 MethodVisitor，实际改写方法内容
                    wrappedMv = new AddSecurityCheckMethodAdapter(mv); 
                } 
            } 
            return wrappedMv; 
        } 
    }
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

下一步就是定义一个继承自 MethodAdapter的 AddSecurityCheckMethodAdapter，在“operation”方法首部插入对 SecurityChecker.checkSecurity()的调用。

class AddSecurityCheckMethodAdapter extends MethodAdapter { 
        public AddSecurityCheckMethodAdapter(MethodVisitor mv) { 
            super(mv); 
        } 
    
        public void visitCode() { 
            visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "SecurityChecker", 
               "checkSecurity", "()V"); 
        } 
    }
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

其中，ClassReader读到每个方法的首部时调用 visitCode()，在这个重写方法里，我们用 visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, “SecurityChecker”,”checkSecurity”, “()V”);插入了安全检查功能。

最后，我们将集成上面定义的 ClassAdapter，ClassReader和 ClassWriter产生修改后的 Account类文件 :

import java.io.File; 
    import java.io.FileOutputStream; 
    import org.objectweb.asm.*; 
    
    public class Generator{ 
        public static void main() throws Exception { 
            ClassReader cr = new ClassReader("Account"); 
            ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS); 
            ClassAdapter classAdapter = new AddSecurityCheckClassAdapter(cw); 
            cr.accept(classAdapter, ClassReader.SKIP_DEBUG); 
            byte[] data = cw.toByteArray(); 
            File file = new File("Account.class"); 
            FileOutputStream fout = new FileOutputStream(file); 
            fout.write(data); 
            fout.close(); 
        } 
    }
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

执行完这段程序后，我们会得到一个新的 Account.class 文件，如果我们使用下面代码：

public class Main { 
        public static void main(String[] args) { 
            Account account = new Account(); 
            account.operation(); 
        } 
    }
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

使用这个 Account，我们会得到下面的输出：

SecurityChecker.checkSecurity ... 
    operation...
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

也就是说，在 Account原来的 operation内容执行之前，进行了 SecurityChecker.checkSecurity()检查。

将动态生成类改造成原始类 Account 的子类  
上面给出的例子是直接改造 Account类本身的，从此 Account类的 operation方法必须进行 checkSecurity 检查。但事实上，我们有时仍希望保留原来的 Account类，因此把生成类定义为原始类的子类是更符合 AOP 原则的做法。下面介绍如何将改造后的类定义为 Account的子类 Account$EnhancedByASM。其中主要有两项工作 :

改变 Class Description, 将其命名为 Account$EnhancedByASM，将其父类指定为 Account。  
改变构造函数，将其中对父类构造函数的调用转换为对 Account构造函数的调用。  
在 AddSecurityCheckClassAdapter类中，将重写 visit方法：

public void visit(final int version, final int access, final String name, 
            final String signature, final String superName, 
            final String[] interfaces) { 
        String enhancedName = name + "$EnhancedByASM";  // 改变类命名
        enhancedSuperName = name; // 改变父类，这里是”Account”
        super.visit(version, access, enhancedName, signature, 
        enhancedSuperName, interfaces); 
    }
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

改进 visitMethod方法，增加对构造函数的处理：

public MethodVisitor visitMethod(final int access, final String name, 
        final String desc, final String signature, final String[] exceptions) { 
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions); 
        MethodVisitor wrappedMv = mv; 
        if (mv != null) { 
            if (name.equals("operation")) { 
                wrappedMv = new AddSecurityCheckMethodAdapter(mv); 
            } else if (name.equals("<init>")) { 
                wrappedMv = new ChangeToChildConstructorMethodAdapter(mv, 
                    enhancedSuperName); 
            } 
        } 
        return wrappedMv; 
    }
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

这里 ChangeToChildConstructorMethodAdapter将负责把 Account的构造函数改造成其子类 Account$EnhancedByASM的构造函数：

class ChangeToChildConstructorMethodAdapter extends MethodAdapter { 
        private String superClassName; 
    
        public ChangeToChildConstructorMethodAdapter(MethodVisitor mv, 
            String superClassName) { 
            super(mv); 
            this.superClassName = superClassName; 
        } 
    
        public void visitMethodInsn(int opcode, String owner, String name, 
            String desc) { 
            // 调用父类的构造函数时
            if (opcode == Opcodes.INVOKESPECIAL && name.equals("<init>")) { 
                owner = superClassName; 
            } 
            super.visitMethodInsn(opcode, owner, name, desc);// 改写父类为 superClassName 
        } 
    }
    
    
    
    
    <div class="se-preview-section-delimiter"></div>

最后演示一下如何在运行时产生并装入产生的 Account$EnhancedByASM。 我们定义一个 Util 类，作为一个类工厂负责产生有安全检查的 Account类：

public class SecureAccountGenerator { 
    
        private static AccountGeneratorClassLoader classLoader = 
            new AccountGeneratorClassLoade(); 
    
        private static Class secureAccountClass; 
    
        public Account generateSecureAccount() throws ClassFormatError, 
            InstantiationException, IllegalAccessException { 
            if (null == secureAccountClass) {            
                ClassReader cr = new ClassReader("Account"); 
                ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS); 
                ClassAdapter classAdapter = new AddSecurityCheckClassAdapter(cw);
                cr.accept(classAdapter, ClassReader.SKIP_DEBUG); 
                byte[] data = cw.toByteArray(); 
                secureAccountClass = classLoader.defineClassFromClassFile( 
                   "Account$EnhancedByASM",data); 
            } 
            return (Account) secureAccountClass.newInstance(); 
        } 
    
        private static class AccountGeneratorClassLoader extends ClassLoader {
            public Class defineClassFromClassFile(String className, 
                byte[] classFile) throws ClassFormatError { 
                return defineClass("Account$EnhancedByASM", classFile, 0, 
                classFile.length());
            } 
        } 
    }

静态方法 SecureAccountGenerator.generateSecureAccount()在运行时动态生成一个加上了安全检查的 Account子类。著名的 Hibernate 和 Spring 框架，就是使用这种技术实现了 AOP 的“无损注入”。

[image]: /images/20220513/5527dc7957b847079083976de6a604e2.png