【Android】函数插桩（Gradle + ASM）

*本篇文章已授权微信公众号 guolin_blog （郭霖）独家发布

图片来自Google

前言

第一次看到插桩，是在Android开发高手课中。看完去查了一下：“咦！还有这东西，有点意思”。

本着不断学习和探索的精神，便走上学习函数插桩的“不归路”。

函数插桩

是什么函数插桩

插桩：目标程序代码中某些位置插入或修改成一些代码，从而在目标程序运行过程中获取某些程序状态并加以分析。简单来说就是在代码中插入代码。
那么函数插桩，便是在函数中插入或修改代码。

本文将介绍在Android编译过程中，往字节码里插入自定义的字节码，所以也可以称为字节码插桩。

作用

函数插桩可以帮助我们实现很多手术刀式的代码设计，如无埋点统计上报、轻量级AOP等。
应用到在Android中，可以用来做用行为统计、方法耗时统计等功能。

技术点

在动手之前，需要掌握以下相关知识：

一定要先熟悉上面的知识
一定要先熟悉上面的知识
一定要先熟悉上面的知识

以下内容涉及知识过多，需熟练掌握以上知识。否则，可能会引起头大、目眩、烦躁等一系列不良反应。请在大人的陪同下阅读

实战

需求

你可能会遇到一个这样需求：在Android应用中，记录每个页面的打开\关闭。

开工前的思考

记录页面被打开\关闭，一般来说就是记录Activity的创建和销毁（这里以Activity区分页面）。所以，我们只要在Activity的onCreate()和onDestroy()中插入对应的代码即可。

这时候就会遇到一个问题：如何为Activity插入代码？
一个个写？不可能！毕竟我们是高（懒）效（惰）的程序员；
写在BaseActivity中？好像可以，不过项目中如果有第三方的页面就显得有些无力了，而且不通用；

我们希望实现一个可以自动在Activity的onCreate()和onDestroy()中插入代码的工具，可以在任意工程中使用。

于是，自定义Gradle插件 + ASM便成了一个不错的选择

实现思路

对Android打包过程和自定义Gradle插件了解后发现，java文件会先转化为class文件，然后在转化为dex文件。而通过Gradle插件提供的Transform API，可以在编译成dex文件之前得到class文件。
得到class文件之后，便可以通过ASM对字节码进行修改，即可完成字节码插桩。

步骤如下：

  • 了解Android打包过程，在过程中找插入点（class转换成 .dex过程）；

    插入点（部分打包过程）

  • 了解自定义Gradle插件、Transform API，在Transform#transform()中得到class文件;

  • 找到FragmentActivity的class文件，通过ASM库，在onCreate()中插入代码;（为什么是FragmentActivity而不是Activity后面会说到）

  • 将原文件替换为修改后的class文件。

如下图：


实现思路

class文件：java源文件经过javac后生成一种紧凑的8位字节的二进制流文件。
插入点：“dex”节点，表示将class文件打包到dex文件的过程，其输入包括class文件以及第三方依赖的class文件。

关于Transform API：从1.5.0-beta1开始，Gradle插件包含一个Transform API，允许第三方插件在将编译后的类文件转换为dex文件之前对其进行操作。

关于混淆：关于混淆可以不用当心。混淆其实是个ProguardTransform，在自定义的Transform之后执行。

动手实现

主要实现以下功能：

  • 自定义Gradle插件
  • 处理class文件
  • 替换

（以下为部分关键代码，完整源码点击这里）

自定义Gradle插件

如何自定义插件这里就不详细介绍了，具体参考在AndroidStudio中自定义Gradle插件、打包Apk过程中的Transform API。

目录结构

目录结构分为两部分：插件部分（src/main/groovy中）、ASM部分（src/main/java中）

目录结构

LifecyclePlugin.groovy

继承Transform，实现Plugin接口，通过Transform#transform()得到Collection<TransformInput> inputs，里面有我们想要的class文件。

class LifecyclePlugin extends Transform implements Plugin<Project> {

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

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

    @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(@NonNull TransformInvocation transformInvocation) {
        ...
        ...
        ...
    }
}

主要看方法transform()

@Override
void transform(@NonNull TransformInvocation transformInvocation) {
    println '--------------- LifecyclePlugin visit start --------------- '
    def startTime = System.currentTimeMillis()
    Collection<TransformInput> inputs = transformInvocation.inputs
    TransformOutputProvider outputProvider = transformInvocation.outputProvider
    //删除之前的输出
    if (outputProvider != null)
        outputProvider.deleteAll()
    //遍历inputs
    inputs.each { TransformInput input ->
        //遍历directoryInputs
        input.directoryInputs.each { DirectoryInput directoryInput ->
            //处理directoryInputs
            handleDirectoryInput(directoryInput, outputProvider)
        }

        //遍历jarInputs
        input.jarInputs.each { JarInput jarInput ->
            //处理jarInputs
            handleJarInputs(jarInput, outputProvider)
        }
    }
    def cost = (System.currentTimeMillis() - startTime) / 1000
    println '--------------- LifecyclePlugin visit end --------------- '
    println "LifecyclePlugin cost ： $cost s"
}

通过参数inputs可以拿到所有的class文件。inputs中包括directoryInputs和jarInputs，directoryInputs为文件夹中的class文件，而jarInputs为jar包中的class文件。

对应两个处理方法handleDirectoryInput、handleJarInputs

LifecyclePlugin#handleDirectoryInput()

/**
 * 处理文件目录下的class文件
 */
static void handleDirectoryInput(DirectoryInput directoryInput, TransformOutputProvider outputProvider) {
    //是否是目录
    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 file ->
            def name = file.name
            if (name.endsWith(".class") && !name.startsWith("R\$")
                    && !"R.class".equals(name) && !"BuildConfig.class".equals(name)
                    && "android/support/v4/app/FragmentActivity.class".equals(name)) {
                println '----------- deal with "class" file <' + name + '> -----------'
                ClassReader classReader = new ClassReader(file.bytes)
                ClassWriter classWriter = new ClassWriter(classReader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS)
                ClassVisitor cv = new LifecycleClassVisitor(classWriter)
                classReader.accept(cv, EXPAND_FRAMES)
                byte[] code = classWriter.toByteArray()
                FileOutputStream fos = new FileOutputStream(
                        file.parentFile.absolutePath + File.separator + name)
                fos.write(code)
                fos.close()
            }
        }
    }
    //处理完输入文件之后，要把输出给下一个任务
    def dest = outputProvider.getContentLocation(directoryInput.name,
            directoryInput.contentTypes, directoryInput.scopes,
            Format.DIRECTORY)
    FileUtils.copyDirectory(directoryInput.file, dest)
}

LifecyclePlugin#handleJarInputs()

/**
 * 处理Jar中的class文件
 */
static void handleJarInputs(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.getAbsolutePath())
        if (jarName.endsWith(".jar")) {
            jarName = jarName.substring(0, jarName.length() - 4)
        }
        JarFile jarFile = new JarFile(jarInput.file)
        Enumeration enumeration = jarFile.entries()
        File tmpFile = new File(jarInput.file.getParent() + File.separator + "classes_temp.jar")
        //避免上次的缓存被重复插入
        if (tmpFile.exists()) {
            tmpFile.delete()
        }
        JarOutputStream jarOutputStream = new JarOutputStream(new FileOutputStream(tmpFile))
        //用于保存
        while (enumeration.hasMoreElements()) {
            JarEntry jarEntry = (JarEntry) enumeration.nextElement()
            String entryName = jarEntry.getName()
            ZipEntry zipEntry = new ZipEntry(entryName)
            InputStream inputStream = jarFile.getInputStream(jarEntry)
            //插桩class
            if (entryName.endsWith(".class") && !entryName.startsWith("R\$")
                    && !"R.class".equals(entryName) && !"BuildConfig.class".equals(entryName)
                    && "android/support/v4/app/FragmentActivity.class".equals(entryName)) {
                //class文件处理
                println '----------- deal with "jar" class file <' + entryName + '> -----------'
                jarOutputStream.putNextEntry(zipEntry)
                ClassReader classReader = new ClassReader(IOUtils.toByteArray(inputStream))
                ClassWriter classWriter = new ClassWriter(classReader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS)
                ClassVisitor cv = new LifecycleClassVisitor(classWriter)
                classReader.accept(cv, EXPAND_FRAMES)
                byte[] code = classWriter.toByteArray()
                jarOutputStream.write(code)
            } else {
                jarOutputStream.putNextEntry(zipEntry)
                jarOutputStream.write(IOUtils.toByteArray(inputStream))
            }
            jarOutputStream.closeEntry()
        }
        //结束
        jarOutputStream.close()
        jarFile.close()
        def dest = outputProvider.getContentLocation(jarName + md5Name,
                jarInput.contentTypes, jarInput.scopes, Format.JAR)
        FileUtils.copyFile(tmpFile, dest)
        tmpFile.delete()
    }
}

这两个方法都在做同一件事，就是遍历directoryInputs、jarInputs，得到对应的class文件，然后交给ASM处理，最后覆盖原文件。

发现：在input.jarInputs中并没有android.jar。本想在Activity中做处理，因为找不到android.jar，只好退而求其次选择android.support.v4.app中的FragmentActivity。
那么，所以如何的到android.jar ？请指教

处理class文件

在handleDirectoryInput和handleJarInputs中，可以看到ASM的部分代码了。这里以handleDirectoryInput为例。

handleDirectoryInput中ASM代码：

ClassReader classReader = new ClassReader(file.bytes)
ClassWriter classWriter = new ClassWriter(classReader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS)
ClassVisitor cv = new LifecycleClassVisitor(classWriter)
classReader.accept(cv, EXPAND_FRAMES)

其中，关键处理类LifecycleClassVisitor

LifecycleClassVisitor

用于访问class的工具，在visitMethod()里对类名和方法名进行判断是否需要处理。若需要，则交给MethodVisitor。

public class LifecycleClassVisitor extends ClassVisitor implements Opcodes {

    private String mClassName;

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

    @Override
    public void visit(int version, int access, String name, String signature, 
        String superName, String[] interfaces) {
        System.out.println("LifecycleClassVisitor : visit -----> started ：" + name);
        this.mClassName = name;
        super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, 
        String signature, String[] exceptions) {
        System.out.println("LifecycleClassVisitor : visitMethod : " + name);
        MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
        //匹配FragmentActivity
        if ("android/support/v4/app/FragmentActivity".equals(this.mClassName)) {
            if ("onCreate".equals(name) ) {
                //处理onCreate
                return new LifecycleOnCreateMethodVisitor(mv);
            } else if ("onDestroy".equals(name)) {
                //处理onDestroy
                return new LifecycleOnDestroyMethodVisitor(mv);
            }
        }
        return mv;
    }

    @Override
    public void visitEnd() {
        System.out.println("LifecycleClassVisitor : visit -----> end");
        super.visitEnd();
    }
}

在visitMethod()中判断是否为FragmentActivity，且为方法onCreate或onDestroy，然后交给LifecycleOnDestroyMethodVisitor或LifecycleOnCreateMethodVisitor处理。

回到需求，我们希望在onCreate()中插入对应的代码，来记录页面被打开。（这里通过Log代替）

Log.i("TAG", "-------> onCreate : " + this.getClass().getSimpleName());

于是，在LifecycleOnCreateMethodVisitor中如下处理
（LifecycleOnDestroyMethodVisitor与LifecycleOnCreateMethodVisitor相似，完整代码点击这里
）

LifecycleOnCreateMethodVisitor
public class LifecycleOnCreateMethodVisitor extends MethodVisitor {

    public LifecycleOnCreateMethodVisitor(MethodVisitor mv) {
        super(Opcodes.ASM4, mv);
    }

    @Override
    public void visitCode() {
        //方法执行前插入
        mv.visitLdcInsn("TAG");
        mv.visitTypeInsn(Opcodes.NEW, "java/lang/StringBuilder");
        mv.visitInsn(Opcodes.DUP);
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESPECIAL, "java/lang/StringBuilder", "<init>", "()V", false);
        mv.visitLdcInsn("-------> onCreate : ");
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
        mv.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 0);
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/Object", "getClass", "()Ljava/lang/Class;", false);
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/Class", "getSimpleName", "()Ljava/lang/String;", false);
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "toString", "()Ljava/lang/String;", false);
        mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "android/util/Log", "i", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false);
        mv.visitInsn(Opcodes.POP);

        super.visitCode();
        //方法执行后插入
    }
    
    @Override
    public void visitInsn(int opcode) {
        super.visitInsn(opcode);
    }
}

只需要在visitCode()中插入上面的代码，即可实现onCreate()内容执行之前，先执行我们插入的代码。

如果想在onCreate()内容执行之后插入代码，该怎么做？
和上面相似，只要在visitInsn()方法中插入对应的代码即可。代码如下：

@Override
public void visitInsn(int opcode) {
    //判断RETURN
    if (opcode == Opcodes.RETURN) {
        //在这里插入代码
        ...
    }
    super.visitInsn(opcode);
}

如果对字节码不是很了解，看到上面visitCode()中的代码可能会觉得既熟悉又陌生，那是ASM插入字节码的用法。
如果你写不来，没关系，这里介绍一个插件——ASM Bytecode Outline，包教包会。

通过ASM Bytecode Outline插件生成代码
1、在Android Studio中安装ASM Bytecode Outline插件；
2、安装后，在编译器中，点击右键，选择Show Bytecode outLine；


3、在ASM标签中选择ASMified，即可在右侧看到当前类对应的ASM代码。（可以忽略Label相关的代码，以下选框的内容为对应的代码）

提示：ClassVisitor#visitMethod()只能访问当前类定义的method（一开始想访问父类的方法，陷入误区）。
如，在MainActivity中只重写了onCreate()，没有重写onDestroy()。那么在visitMethod()中只会出现onCreate()，不会有onDestroy()。

替换

class文件的插桩已经说完，剩下最后一步——替换。眼尖的同学应该发现，代码上面已经出现过了。还是以LifecyclePlugin#handleDirectoryInput()中的代码为例：

byte[] code = classWriter.toByteArray()
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(
      file.parentFile.absolutePath + File.separator + name)
fos.write(code)
fos.close()

从classWriter得到class修改后的byte流，然后通过流的写入覆盖原来的class文件。
（Jar包的覆盖会稍微复杂一点，这里就不细说了）

File.separator：文件的分隔符。不同系统分隔符可能不一样。
如：同样一个文件，Windows下是C:\tmp\test.txt；Linux 下却是/tmp/test.txt

使用

插件写完，便可以投入使用了。

创建一个Android项目app，在app.gradle中引用插件。（完整代码点击这里）

apply plugin: 'com.gavin.gradle'

运行后，按步骤操作：
打开MainActivity——>打开SecondActivity——>返回MainActivity。

查看效果：

com.gavin.asmdemo I/TAG: -------> onCreate : MainActivity
com.gavin.asmdemo I/TAG: -------> onCreate : SecondActivity
com.gavin.asmdemo I/TAG: -------> onDestroy : SecondActivity

可以发现，页面打开\关闭都会打印对应的log。说明我们插入的代码被执行了，而且，使用时对项目没有任何“入侵”。

结语

本文内容涉及知识较多，在熟悉Android打包过程、字节码、Gradle Transform API、ASM等之前，阅读起来会很困难。不过，在了解并学习这些知识的之后，相信你对Android会有新的认识。

源码

Github

参考

Android字节码插桩采坑笔记
手摸手增加字节码往方法体内插代码
Android AOP之字节码插桩
通过Gradle的Transform配合ASM实战路由框架和统计方法耗时
一起玩转Android项目中的字节码

以上有错误之处，感谢指出

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