Android ASM自动埋点方案实践
2018-01-11 本文已影响1547人
C6C
这段时间想到一个有趣的功能，就是在Android的代码编译期间进行一些骚操作，来达到一些日常情境下难以实现的功能，比如监听应用中的所有onClick点击时间，或者监听某些方法的运行耗时，如果在代码中一个方法一个方法修改会很蛋疼，所以想通过Gradle插件来实现在应用的编译期间进行代码插入的功能。
1、AOP的概念
其实这已经涉及到AOP(Aspect Oriented Programming)，即面向切面编程，在编译期间对代码进行动态管理，以达到统一维护的目的。
AOP切面
举个栗子，Android开发我们都知道，在项目越来越大的时候，应用可能被分解为多个模块，如果你要往所有模块的方法里头加一句‘我是大傻叼’的Toast，那是不是得跪。所以最好的方式是想办法在编译的时候拿到所有方法，往方法里头怼一个Toast，这样还不会影响到运行期间性能。
2、Transform
Android打包流程
如图所示是Android打包流程，.java文件->.class文件->.dex文件，只要在红圈处拦截住，拿到所有方法进行修改完再放生就可以了，而做到这一步也不难，Google官方在Android Gradle的1.5.0 版本以后提供了 Transfrom API, 允许第三方 Plugin 在打包 dex 文件之前的编译过程中操作 .class 文件，我们做的就是实现Transform进行.class文件遍历拿到所有方法，修改完成对原文件进行替换。
/**
* 自动埋点追踪，遍历所有文件更换字节码
*/
public class AutoTransform extends Transform {
@Override
String getName() {
return "AutoTrack"
}
@Override
Set<QualifiedContent.ContentType> getInputTypes() {
return TransformManager.CONTENT_CLASS
}
@Override
Set<QualifiedContent.Scope> getScopes() {
return TransformManager.SCOPE_FULL_PROJECT
}
@Override
boolean isIncremental() {
return false
}
@Override
public void transform(
@NonNull Context context,
@NonNull Collection<TransformInput> inputs,
@NonNull Collection<TransformInput> referencedInputs,
@Nullable TransformOutputProvider outputProvider,
boolean isIncremental) throws IOException, TransformException, InterruptedException {
//此处会遍历所有文件
/**遍历输入文件*/
inputs.each { TransformInput input ->
/**
* 遍历jar
*/
input.jarInputs.each { JarInput jarInput ->
...
}
/**
* 遍历目录
*/
input.directoryInputs.each { DirectoryInput directoryInput ->
...
}
}
}
3、Gradle插件实现
通过Transform提供的api可以遍历所有文件，但是要实现Transform的遍历操作，得通过Gradle插件来实现，关于Gradle插件的知识可以看相关博客，也可以直接看博主的项目Luffy。编写Gradle插件可能需要一点Goovy知识，具体编写直接用java语言写也可以，Goovy是完全兼容java的，只截取插件入口部分实现PluginEntry.groovy
class PluginEntry implements Plugin<Project> {
@Override
void apply(Project project) {
...
//使用Transform实行遍历
def android = project.extensions.getByType(AppExtension)
registerTransform(android)
...
}
def static registerTransform(BaseExtension android) {
AutoTransform transform = new AutoTransform()
android.registerTransform(transform)
}
4、字节码编写
完成上面的操作以后就剩下一件事了，那就是拿到.class文件了，大家都知道.class文件是字节码格式的，操作起来难度是相当于大的，所以需要一个字节码操作库来减轻难度，那就是ASM了。
4.1、ASM简介
ASM 可以直接产生二进制的class 文件，也可以在增强既有类的功能。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）。
4.2、具体使用ASM
ASM框架中的核心类有以下几个：
- ClassReader：该类用来解析编译过的class字节码文件。
- ClassWriter：该类用来重新构建编译后的类，比如说修改类名、属性以及方法，甚至可以生成新的类的字节码文件。
- ClassVisitor：主要负责 “拜访” 类成员信息。其中包括标记在类上的注解，类的构造方法，类的字段，类的方法，静态代码块。
- AdviceAdapter：实现了MethodVisitor接口，主要负责 “拜访” 方法的信息，用来进行具体的方法字节码操作。
ClassVisitor的全部方法如下，按一定的次序来遍历类中的成员。
ClassVisitor全部api
在ClassVisitor中根据你的条件进行判断，满足条件的类才会修改其中方法，比如要统计点击事件的话，需要实现View$OnClickListener接口的类才会遍历其中的方法进行操作。
class AutoClassVisitor extends ClassVisitor {
AutoClassVisitor(final ClassVisitor cv) {
super(Opcodes.ASM4, cv)
}
@Override
void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) {
//进行需要满足类的条件过滤
...
super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces)
}
@Override
void visitInnerClass(String name, String outerName, String innerName, int access) {
// 内部类信息
...
super.visitInnerClass(name, outerName, innerName, access)
}
@Override
MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
// 拿到需要修改的方法，执行修改操作
MethodVisitor methodVisitor = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions)
MethodVisitor adapter = null
...
adapter = new AutoMethodVisitor(methodVisitor, access, name, desc)
...
return methodVisitor
}
@Override
void visitEnd() {
//类中成员信息遍历介绍
...
super.visitEnd()
}
}
在MethodVisitor中根据对已经拿到的方法进行修改了。
MethodVisitor adapter = new AutoMethodVisitor(methodVisitor, access, name, desc) {
boolean isAnnotation = false
@Override
protected void onMethodEnter() {
super.onMethodEnter()
//进入方法时可以插入字节码
...
}
@Override
protected void onMethodExit(int opcode) {
super.onMethodExit(opcode)
//退出方法前可以插入字节码
...
}
/**
* 需要通过注解的方式加字节码才会重写这个方法来进行条件过滤
*/
@Override
AnnotationVisitor visitAnnotation(String des, boolean visible) {
...
return super.visitAnnotation(des, visible)
}
}
5、实战演练
以上就是总体的思路了，现在就通过Luffy根据具体需求实战一下，比如说在onClick方法点击的耗时(自动埋点也是一样的道理，只不过换了插桩的方法)。
5.1、插件配置
先打包一下插件到本地仓库进行引用，在项目的根build.gradle加入插件的依赖
dependencies {
classpath 'com.xixi.plugin:plugin:1.0.1-SNAPSHOT'
}
在app的build.gradle中
apply plugin: 'apk.move.plugin'
xiaoqingwa{
name = "小傻逼"
isDebug = true
//具体配置
matchData = [
//是否使用注解来找对应方法
'isAnotation': false,
//方法的匹配，可以通过类名或者实现的接口名匹配
'ClassFilter': [
['ClassName': null, 'InterfaceName':null,
'MethodName':null, 'MethodDes':null]
],
//插入的字节码，方法的执行顺序visitAnnotation->onMethodEnter->onMethodExit
'MethodVisitor':{
MethodVisitor methodVisitor, int access, String name, String desc ->
MethodVisitor adapter = new AutoMethodVisitor(methodVisitor, access, name, desc) {
boolean isAnnotation = false
@Override
protected void onMethodEnter() {
super.onMethodEnter()
//使用注解找对应方法的时候得加这个判断
}
@Override
protected void onMethodExit(int opcode) {
super.onMethodExit(opcode)
//使用注解找对应方法的时候得加这个判断
}
/**
* 需要通过注解的方式加字节码才会重写这个方法来进行条件过滤
*/
@Override
AnnotationVisitor visitAnnotation(String des, boolean visible) {
return super.visitAnnotation(des, visible)
}
}
return adapter
}
]
}
要是使用演示的话，因为还没上传到jcenter库，所以只能本地仓库打包插件，记得要先把依赖都注释掉，插件打包完成后再启用，不然会编译不过去的。
xiaoqingwa{}里头的配置信息先不用管，等会会讲到，主要是为了能够不修改插件进行动态更换插桩的方法。
5.2、应用测试
插件配置好了之后就可以测试一下效果了，先写一个耗时统计的工具类
TimeCache.java
/**
* Author:xishuang
* Date:2018.01.10
* Des:计时类，编译器加入指定方法中
*/
public class TimeCache {
public static Map<String, Long> sStartTime = new HashMap<>();
public static Map<String, Long> sEndTime = new HashMap<>();
public static void setStartTime(String methodName, long time) {
sStartTime.put(methodName, time);
}
public static void setEndTime(String methodName, long time) {
sEndTime.put(methodName, time);
}
public static String getCostTime(String methodName) {
long start = sStartTime.get(methodName);
long end = sEndTime.get(methodName);
long dex = end - start;
return "method: " + methodName + " cost " + dex + " ns";
}
}
大概思路就是使用HashMap来临时保存对应方法的时间，退出方法时获取时间差。
在一个方法的前后插入时间统计的方法，这个具体的过程要怎么操作呢，因为class文件是字节码格式的，ASM也是进行字节码操作，所以必须先把插入的代码转换成字节码先。这里推荐一个字节码查看工具Java Bytecode Editor，导入.class文件就可以看到对应字节码了。
比如我们要插入的代码如下：
private void countTime() {
TimeCache.setStartTime("newFunc", System.currentTimeMillis());
TimeCache.setEndTime("newFunc", System.currentTimeMillis());
Log.d("耗时", TimeCache.getCostTime("newFunc"));
}
先把.java文件编译成.class文件，用Java Bytecode Editor打开
插入代码的字节码
然后根据其用ASM提供的Api一一对应的把代码填进来加到onMethodEnter和onMethodExit中。
//方法前加入
methodVisitor.visitMethodInsn
methodVisitor.visitLdcInsn(name)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "currentTimeMillis", "()J", false)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/TimeCache", "setStartTime", "(Ljava/lang/String;J)V", false)
//方法后加入
methodVisitor.visitLdcInsn(name)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "currentTimeMillis", "()J", false)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/TimeCache", "setEndTime", "(Ljava/lang/String;J)V", false)
methodVisitor.visitLdcInsn("耗时")
methodVisitor.visitLdcInsn(name)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/TimeCache", "getCostTime", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;", false)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "d", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false)
在app的build.gradle中配置得到的字节码，最后设置一下过滤条件，最终的代码如下：
build.gradle
xiaoqingwa{
name = "小傻逼"
isDebug = true
//具体配置
matchData = [
//是否使用注解来找对应方法
'isAnotation': false,
//方法的匹配，可以通过类名或者实现的接口名匹配
'ClassFilter': [
['ClassName': 'com.xishuang.plugintest.MainActivity', 'InterfaceName': 'android/view/View$OnClickListener',
'MethodName':'onClick', 'MethodDes':'(Landroid/view/View;)V']
],
//插入的字节码，方法的执行顺序visitAnnotation->onMethodEnter->onMethodExit
'MethodVisitor':{
MethodVisitor methodVisitor, int access, String name, String desc ->
MethodVisitor adapter = new AutoMethodVisitor(methodVisitor, access, name, desc) {
boolean isAnnotation = false
@Override
protected void onMethodEnter() {
super.onMethodEnter()
//使用注解找对应方法的时候得加这个判断
// if (!isAnnotation){
// return
// }
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/MainActivity", "notifyInsert", "()V", false)
methodVisitor.visitLdcInsn(name)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "currentTimeMillis", "()J", false)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/TimeCache", "setStartTime", "(Ljava/lang/String;J)V", false)
}
@Override
protected void onMethodExit(int opcode) {
super.onMethodExit(opcode)
//使用注解找对应方法的时候得加这个判断
// if (!isAnnotation){
// return
// }
methodVisitor.visitLdcInsn(name)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "currentTimeMillis", "()J", false)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/TimeCache", "setEndTime", "(Ljava/lang/String;J)V", false)
methodVisitor.visitLdcInsn("耗时")
methodVisitor.visitLdcInsn(name)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/TimeCache", "getCostTime", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;", false)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "d", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false)
}
/**
* 需要通过注解的方式加字节码才会重写这个方法来进行条件过滤
*/
@Override
AnnotationVisitor visitAnnotation(String des, boolean visible) {
// if (des.equals("Lcom/xishuang/annotation/AutoCount;")) {
// println "注解匹配：" + des
// isAnnotation = true
// }
return super.visitAnnotation(des, visible)
}
}
return adapter
}
]
}
'isAnotation'表示是否使用注解的方式找到对应方法，这里false，因为我们现在是通过具体类信息来判断的。
'ClassFilter'表示过滤条件，其中'ClassName'和'InterfaceName'用于判断哪些类中的方法可以遍历其中的方法进行匹配修改，不满足的话就不会进行方法名匹配了，这些感兴趣的童鞋都可以改插件自定义扩展。
'MethodName'和'MethodDes'是方法名和方法描述符，可以唯一确定一个方法名，满足类过滤条件的就会进行方法匹配，例如我们要统计的点击事件onClick(View v)。
意思就是继承自android/view/View$OnClickListener的类或者类名是'com.xishuang.plugintest.MainActivity'就可以进行方法的遍历，然后方法满足onClick(View v)就会进行代码插入操作。
设置完之后rebuild一下就可以了，可以通过日志看下具体信息，isDebug = true可以开启日志打印。
日志
通过日志可以看到我们设置的字节码确实插桩成功，现在再看一下编译后的文件验证一下，具体位置是：app\build\intermediates\transforms\AutoTrack\debug\folders
编译后的.class文件
其中的notifyInsert()是我用来弹Toast额外调试用的，请忽略。在手机上点击一下按钮测试一下，发现确实记录下点击的耗时时间，完成。
5.3、注解匹配
除了以上的方式来查找修改的方法之外，还可以通过注解来查找，切换很简单，只需要改一下app的build.gradle文件就可以了，项目中也有栗子，添加了一个注解类。
/**
* Author:xishuang
* Date:2018.1.9
* Des：时间统计注解
*/
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface AutoCount {
}
然后在对应的方法上添加你自定义的注解
@AutoCount
private void onClick() {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@AutoCount
@Override
public void onClick(View v) {
if (v.getId() == R.id.button) {
Toast.makeText(this, "我是按钮", Toast.LENGTH_SHORT).show();
}
}
修改一下build.gradle中的配置文件
xiaoqingwa{
name = "小傻逼"
isDebug = true
//具体配置
matchData = [
//是否使用注解来找对应方法
'isAnotation': true,
//方法的匹配，可以通过类名或者实现的接口名匹配
'ClassFilter': [
['ClassName': 'com.xishuang.plugintest.MainActivity', 'InterfaceName': 'android/view/View$OnClickListener',
'MethodName':'onClick', 'MethodDes':'(Landroid/view/View;)V']
],
//插入的字节码，方法的执行顺序visitAnnotation->onMethodEnter->onMethodExit
'MethodVisitor':{
MethodVisitor methodVisitor, int access, String name, String desc ->
MethodVisitor adapter = new AutoMethodVisitor(methodVisitor, access, name, desc) {
boolean isAnnotation = false
@Override
protected void onMethodEnter() {
super.onMethodEnter()
//使用注解找对应方法的时候得加这个判断
if (!isAnnotation){
return
}
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/MainActivity", "notifyInsert", "()V", false)
methodVisitor.visitLdcInsn(name)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "currentTimeMillis", "()J", false)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/TimeCache", "setStartTime", "(Ljava/lang/String;J)V", false)
}
@Override
protected void onMethodExit(int opcode) {
super.onMethodExit(opcode)
//使用注解找对应方法的时候得加这个判断
if (!isAnnotation){
return
}
methodVisitor.visitLdcInsn(name)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "currentTimeMillis", "()J", false)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/TimeCache", "setEndTime", "(Ljava/lang/String;J)V", false)
methodVisitor.visitLdcInsn("耗时")
methodVisitor.visitLdcInsn(name)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "com/xishuang/plugintest/TimeCache", "getCostTime", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;", false)
methodVisitor.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "android/util/Log", "d", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I", false)
}
/**
* 需要通过注解的方式加字节码才会重写这个方法来进行条件过滤
*/
@Override
AnnotationVisitor visitAnnotation(String des, boolean visible) {
if (des.equals("Lcom/xishuang/annotation/AutoCount;")) {
println "注解匹配：" + des
isAnnotation = true
}
return super.visitAnnotation(des, visible)
}
}
return adapter
}
]
}
关键代码在于把'isAnotation'设为true，然后在visitAnnotation方法中添加你的注解类匹配，也就是这句des.equals("Lcom/xishuang/annotation/AutoCount;")代码，注解类的描述符，运行效果和上面差不多，但是不会打印日志，因为通过注解来查找方法会遍历每个方法，打印信息太多电脑会爆炸。
6、插件扩展自动埋点功能
针对以下的方法进行埋点监听，并实现了View的唯一区别链
- 1、View的onClick(View v)方法
- 2、Fragment的onResume()方法
- 3、Fragment的onPause()方法
- 4、Fragment的setUserVisibleHint(boolean b)方法
- 5、Fragment的onHiddenChanged(boolean b)方法
- 6、在app的module中手动设置的监听条件：指定方法或注解方法
插件的增加自动埋点处理类主要是ChoiceUtil
App中对监听的方法处理的类是AutoHelper.java
/**
* Author:xishuang
* Date:2018.03.01
* Des:自动埋点帮助类
*/
public class AutoHelper {
private static final String TAG = AutoHelper.class.getSimpleName();
private static Context context = AutoApplication.getInstance().getApplicationContext();
/**
* 实现onClick点击时间的自动注入处理
*/
public static void onClick(View view) {
String path = AutoUtil.getPath(context, view);
String activityName = AutoUtil.getActivityName(view);
path = activityName + ":onClick:" + path;
Log.d(TAG, path);
}
/**
* 实现onClick点击时间的自动注入处理
*/
public static void onClick() {
Log.d(TAG, "onClick()");
}
public static void onFragmentResume(Fragment fragment) {
Log.d(TAG, "onFragmentResume" + fragment.getClass().getSimpleName());
}
public static void onFragmentPause(Fragment fragment) {
Log.d(TAG, "onFragmentPause" + fragment.getClass().getSimpleName());
}
public static void setFragmentUserVisibleHint(Fragment fragment, boolean isVisibleToUser) {
Log.d(TAG, "setFragmentUserVisibleHint->" + isVisibleToUser + "->" + fragment.getClass().getSimpleName());
}
public static void onFragmentHiddenChanged(Fragment fragment, boolean hidden) {
Log.d(TAG, "onFragmentHiddenChanged->" + hidden + "->" + fragment.getClass().getSimpleName());
}
View监听以及Fragment捕获
具体的信息可以看下源码，已共享到github上，在这里讲了下大概的思路和代码框架，博主已经初步扩展完成自动埋点的基础功能，更有趣的玩法大家可以自己修改一下插件来实现。
github地址：Luffy。
