曹工说Spring Boot源码（24）-- Spring注解扫描的瑞士军刀，asm技术实战（上）

2022-12-18 23:00:47

写在前面的话

概要

上一篇，我们讲了spring是怎么获取class上的注解，以及注解的元注解的。在注解大行其道的今天，理解这些相对底层一点的知识，是绝对有必要的。另外，在上一讲中，我们提到了，spring其实最终也是利用ASM去读取注解的，其中，还使用了访问者设计模式。

访问者设计模式有效地分离了对数据的访问和和对数据的操作，因为class结构是很固定的，所以，visitor模式就尤其适合。在访问到特定数据时，就回调应用注册的回调方法。ASM基本上就是在visitor这个设计模式的基础上建立起来的。

今天，我们的主题有两个，1是简单地了解下ASM，2是投入实战，看看要怎么去利用ASM + java的Intrumentation机制，来在java启动时，就去修改class，实现简单的aop功能。

本篇覆盖第一个主题，下一个主题留带下一篇（demo已经ok了）。

ASM的核心之读取功能

我们目的是读取以下测试类上的注解和所有的方法的名称。

以下代码demo见：https://gitee.com/ckl111/all-simple-demo-in-work/tree/master/asm-demo/src/main/java/com/yn/onlyvisit

测试类

package com.yn.onlyvisit;

@CustomAnnotationOnClass
public class Person {
    private String name;

    private int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

@Documented
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface CustomAnnotationOnClass {
}

定义classVisitor，里面实现visitor的回调方法

package com.yn.onlyvisit;


import org.objectweb.asm.*;
import org.objectweb.asm.commons.AdviceAdapter;
import org.objectweb.asm.commons.AnalyzerAdapter;
import org.objectweb.asm.util.ASMifier;
import org.objectweb.asm.util.Textifier;
import org.objectweb.asm.util.TraceMethodVisitor;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class MyClassVistor extends ClassVisitor {
    private List<String> methodList =  new ArrayList<>();
    private List<String> annotationOnClass =  new ArrayList<>();
    public MyClassVistor() {
        super(Opcodes.ASM6);
    }


    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name,
                                     String desc, String signature,
                                     String[] exceptions) {
        //每访问到一个方法，加入到field中
        System.out.println("visitMethod: " + name);
        methodList.add(name);

        return super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
    }

    @Override
    public AnnotationVisitor visitAnnotation(String descriptor, boolean visible) {
        // 访问到类上注解，加入field
        annotationOnClass.add(descriptor);
        return super.visitAnnotation(descriptor, visible);
    }

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

    public List<String> getMethodList() {
        return methodList;
    }

    public List<String> getAnnotationOnClass() {
        return annotationOnClass;
    }
}

测试代码

import org.objectweb.asm.ClassReader;

import java.io.IOException;
import java.util.List;

public class TestClassVisit {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 使用classreader读取目标类
        ClassReader classReader = new ClassReader("com.yn.onlyvisit.Person");
        // new一个visitor
        MyClassVistor classVisitor = new MyClassVistor();
        // 传入classreader
        classReader.accept(classVisitor,ClassReader.SKIP_DEBUG);
        // 此时，目标类已经读取完毕，我们可以打印看看效果
        List<String> methodList = classVisitor.getMethodList();
        System.out.println(methodList);
        System.out.println(classVisitor.getAnnotationOnClass());
    }
}

输出如下：

field:name
field:age
visitMethod:
visitMethod: getName
visitMethod: setName
visitMethod: getAge
visitMethod: setAge
[, getName, setName, getAge, setAge]
[Lcom/yn/onlyvisit/CustomAnnotationOnClass;]

ASM的核心之生成全新class

案例讲解

注意，我们限定的是，生成全新的class，为什么限定这么死，因为还有一种是，在已经存在的类的基础上，修改class。

生成全新class的场景也是常见的，比如cglib底层就使用了asm，代理类是动态生成的，对吧？虽然我还没验证，但基本就是目前要讲的这种场景。

还有就是，fastjson里也用了asm，至于里面是否是生成全新class，留带验证。

asm的官方文档，有下面这样一个例子。

目标类如下，我们的目标，就是生成这样一个类的class：

package pkg;
public interface Comparable extends Mesurable {
int LESS = -1;
int EQUAL = 0;
int GREATER = 1;
int compareTo(Object o);
}

我们只需要如下几行代码，即可完成该目标。

package com.yn.classgenerate;

import org.objectweb.asm.ClassWriter;

import java.io.*;
import java.lang.reflect.Field;

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

public class TestClassWriter {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
        cw.visit(V1_7, ACC_PUBLIC + ACC_ABSTRACT + ACC_INTERFACE,
                "pkg/Comparable", null, "java/lang/Object",
                null);
        cw.visitField(ACC_PUBLIC + ACC_FINAL + ACC_STATIC, "LESS", "I",
                null, new Integer(-1)).visitEnd();
        cw.visitField(ACC_PUBLIC + ACC_FINAL + ACC_STATIC, "EQUAL", "I",
                null, new Integer(0)).visitEnd();
        cw.visitField(ACC_PUBLIC + ACC_FINAL + ACC_STATIC, "GREATER", "I",
                null, new Integer(1)).visitEnd();
        cw.visitMethod(ACC_PUBLIC + ACC_ABSTRACT, "compareTo",
                "(Ljava/lang/Object;)I", null, null).visitEnd();
        cw.visitEnd();
        byte[] b = cw.toByteArray();


        File file = new File("F:\\gitee-ckl\\all-simple-demo-in-work\\asm-demo\\src\\main\\java\\com\\yn\\classgenerate\\Target.class");
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
        fos.write(b);
        fos.close();


    }
}

执行上述代码，在指定位置，就会生成一个Target.class，反编译之后，如下：

ClassWriter初识

上面那个demo，是否够神奇？为什么这么神奇呢，核心都在ClassWriter这个类。

这个类，大家可以理解为，一个class文件包含了很多东西，对吧？常量池、field集合、method集合、注解、class名、实现的接口集合等等，这个classWriter呢，其中就有很多field，分别来存储这些东西。

注意的是，上图中，有些字段，比如firstField，为什么不是集合呢？按理说，一个class里很多field啊，因为，这里用了链表结构来存储field。我们看这个field上的注释。

/**
 * The fields of this class, stored in a linked list of {@link FieldWriter} linked via their
 * {@link FieldWriter#fv} field. This field stores the first element of this list.
 */
private FieldWriter firstField;

看到了吧，链表结构。

所以，ClassWriter，大家一定要好好理解，这个ClassWriter，主要的使用方法就是：提供给你一堆方法，你可以调用他们，来给里面的field设置东西，比如，你要设置类名，那你就调用：

cw.visit(V1_7, ACC_PUBLIC + ACC_ABSTRACT + ACC_INTERFACE,
        "pkg/Comparable", null, "java/lang/Object",
        null);

要加个field，那就这样：

cw.visitField(ACC_PUBLIC + ACC_FINAL + ACC_STATIC, "EQUAL", "I",
              null, new Integer(0)).visitEnd();

ClassWriter为啥要实现ClassVisitor

如小标题所言，ClassWriter是实现了ClassVisitor的。

public class ClassWriter extends ClassVisitor

前面我们说的那些，手动去调用的方法，也是来源于ClassVisitor的。

cw.visit(V1_7, ACC_PUBLIC + ACC_ABSTRACT + ACC_INTERFACE,
         "pkg/Comparable", null, "java/lang/Object",
         null);

该方法，来源于：

org.objectweb.asm.ClassVisitor#visit 
public void visit(
      final int version,
      final int access,
      final String name,
      final String signature,
      final String superName,
      final String[] interfaces) {
    if (cv != null) {
      cv.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
    }
  }

那么，接下来这段话，大家好好理解下：

前面的demo中，我们手动调用了ClassWriter的各种visit方法，去生成class；但是，我们又知道，ClassWriter的那些方法，来自于ClassVisitor，而：当我们向下面这样来编码的时候，ClassVisitor的方法会自动被调用（忘了的，往前翻到：ASM的核心之读取功能），那么，我们可以实现如下的class复制功能了：

package com.yn.classgenerate;

import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;

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

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

public class CopyClassVersion1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ClassReader classReader = new ClassReader("com.yn.classgenerate.CopyClass");
	    //1
        ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
        //2
        classReader.accept(cw, 0);
        byte[] b2 = cw.toByteArray();

        File file = new File("F:\\gitee-ckl\\all-simple-demo-in-work\\asm-demo\\src\\main\\java\\com\\yn\\classgenerate\\CopyClass2.class");
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
        fos.write(b2);
        fos.close();
    }
}

这里的核心，就是要把classWriter，当成ClassVisitor，传递给ClassReader。

上述代码点1，此时，classWriter内部是空的，没法生成一个class
传递给classReader后，随着classReader不断去解析com.yn.classgenerate.CopyClass这个类，classWriter的各个visit方法，不断被回调，因此，com.yn.classgenerate.CopyClass的各类field、method等，不断被写入classWriter中，于是，复制就这样完成了。

ClassVisitor那些链式操作

前面那个复制class的操作中，classreader是直接回调classWriter的，我们其实也可以在中间横插一脚。

public class CopyClass {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ClassReader classReader = new ClassReader("com.yn.classgenerate.CopyClass");
        ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
        
        // cv forwards all events to cw
        ClassVisitor cv = new ClassVisitor(ASM4, cw) { };
        classReader.accept(cv, 0);
        byte[] b2 = cw.toByteArray();

        File file = new File("F:\\gitee-ckl\\all-simple-demo-in-work\\asm-demo\\src\\main\\java\\com\\yn\\classgenerate\\CopyClass2.class");
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
        fos.write(b2);
        fos.close();
    }
}

在上面这个例子中，我们从classReader的下面这句开始看：

 classReader.accept(cv, 0);

那么，可以知道，classReader是去回调cv，那么cv是谁？

ClassVisitor cv = new ClassVisitor(ASM4, cw) { };

cv的构造函数里，传入了cw，cw呢，就是classwriter。

现在的链路是这样的：

classReader --> cv --> cw。

上面这个链路中，classReader肯定会回调cv，但是cv，怎么就确定它会当个二传手呢？

看看ClassVisitor的构造函数：

public ClassVisitor(final int api, final ClassVisitor classVisitor) {
    if (api < Opcodes.ASM4 || api > Opcodes.ASM6) {
      throw new IllegalArgumentException();
    }
    this.api = api;
    this.cv = classVisitor;
  }

其把ClassVisitor保存到了一个域：cv中。这个cv如何被使用呢？我们看看下面的方法：

org.objectweb.asm.ClassVisitor#visit  
public void visit(
      final int version,
      final int access,
      final String name,
      final String signature,
      final String superName,
      final String[] interfaces) {
     
    if (cv != null) {
      cv.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
    }
  }

  public AnnotationVisitor visitAnnotation(final String descriptor, final boolean visible) {
    if (cv != null) {
      return cv.visitAnnotation(descriptor, visible);
    }
    return null;
  }

这就有意思了，如果cv不为null，就调用cv去处理，这就是个delegate啊，代理啊。

中间商搞鬼那些事

上面的demo中，cv简直是尽忠职守，自己在中间，丝毫不做什么事，就是一个称职的代理。但不是所有代理都需要这样，甚至是不鼓励这样。

官网中有个demo，如下所示，可以修改class的版本：

public class ChangeVersionAdapter extends ClassVisitor {

    public ChangeVersionAdapter(ClassVisitor classVisitor) {
        super(ASM4, classVisitor);
    }

    @Override
    public void visit(int version, int access, String name,
                      String signature, String superName, String[] interfaces) {
        cv.visit(V1_8, access, name, signature, superName, interfaces);
    }

}

测试类：


public class TestChangeClassVersion {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ClassReader classReader = new ClassReader("com.yn.classgenerate.CopyClass");
        ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
        
        ClassVisitor cv = new ChangeVersionAdapter(cw) { };
        classReader.accept(cv, 0);
        byte[] b2 = cw.toByteArray();

        File file = new File("F:\\gitee-ckl\\all-simple-demo-in-work\\asm-demo\\src\\main\\java\\com\\yn\\classgenerate\\CopyClass2.class");
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
        fos.write(b2);
        fos.close();
    }
}

官网还画了个图，贴心：

通过这样，classWriter中，版本号已经被改了，但它还被蒙在鼓里，可怜。

如果要删除字段、删除方法，怎么整

在ClassVisitor中，有几个特殊的方法：

主要就是这几个，你看他们的返回值，不太一样，是xxxVistor，和ClassVisitor有点像？那就对了。

我们看看fieldVisitor：

其结构和方法，都和ClassVisitor类似，也就是说，我们可以返回一个自定义的FieldVistor，然后，ASM框架，就会使用我们返回的这个FieldVisitor去visit我们的field的相关属性，回调fieldVisitor中的相关方法。

那，怎么删除呢？返回null。

这么简单吗，是的。

package com.yn.classgenerate;

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

import static org.objectweb.asm.Opcodes.ASM6;
// 该demo来自官网文档
public class RemoveMethodAdapter extends ClassVisitor {
    private String mName;
    private String mDesc;

    public RemoveMethodAdapter(
            ClassVisitor cv, String mName, String mDesc) {
        super(ASM6, cv);
        this.mName = mName;
        this.mDesc = mDesc;
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name,
                                     String desc, String signature, String[] exceptions) {
        if (name.equals(mName) && desc.equals(mDesc)) {
            // 这样就可以了。
		   // do not delegate to next visitor -> this removes the method
            return null;
        }
        return cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
    }
}

总结

asm的基本操作大概如此，这些比较粗浅，下一讲我们会实现一个有用一点的东西，会结合java的instrument机制来讲。

大家要跟着我的demo一起来实践，https://gitee.com/ckl111/all-simple-demo-in-work/tree/master/asm-demo

这样才能学的劳。

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