1#class 文件结构

class文件里只有两种数据结构：无符号数和表；
无符号数：属于基本的数据类型，以 u1、u2、u4、u8 来分别代表 1 个字节、2 个字节、4 个字节和 8 个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者字符串（UTF-8 编码）。
表：表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，class文件中所有的表都以“_info”结尾。其实，整个 Class 文件本质上就是一张表。

而这些无符号数和表就组成了 class 中的各个结构。
Cgq2xl6Qc1OACWWHAADJjiKcHuI014.png
这些结构按照预先规定好的顺序紧密的从前向后排列，相邻的项之间没有任何间隙。
Cgq2xl6DCV2AehqNAAD5VToVKKE770.png
魔数 magic number
image.png 魔数是 class 文件的标志，也就是说它是判断一个文件是不是 class 格式文件的标准， 如果开头四个字节不是 0XCAFEBABE， 那么就说明它不是 class 文件， 不能被 JVM 识别或加载。

版本号

image.png
前两个字节 0000 代表次版本号（minor_version），后两个字节 0034 是主版本号（major_version），对应的十进制值为 52，也就是说当前 class 文件的主版本号为 52，次版本号为 0。所以综合版本号是 52.0，也就是 jdk1.8.0

常量池（重点）

紧跟在版本号之后的是一个叫作常量池的表（cp_info）。在常量池中保存了类的各种相关信息，比如类的名称、父类的名称、类中的方法名、参数名称、参数类型等，这些信息都是以各种表的形式保存在常量池中的。
常量池中的每一项都是一个表，其项目类型共有 14 种，如下表所示：
Cgq2xl6DCV6AcrLKAAIl1RRQwuM068.png
CONSTANT_Utf8_info 表具体结构如下:

  1. table CONSTANT_utf8_info {
  2.     u1  tag;
  3.     u2  length;
  4.     u1[] bytes;
  5. }
  6. //tag：值为1，表示是 CONSTANT_Utf8_info 类型表。
  7. //length：length 表示 u1[] 的长度，比如 length=5，则表示接下来的数据是 5 个连续的 u1 类型数据。
  8. //bytes：u1 类型数组，长度为上面第 2 个参数 length 的值。

在java代码中声明的String字符串最终在class文件中的存储格式就 CONSTANT_utf8_info。因此一个字符串最大长度也就是u2所能代表的最大值65536个，但是需要使用2个字节来保存 null 值，因此一个字符串的最大长度为 65536 - 2 = 65534.
因为开发者平时定义的 Java 类各式各样，类中的方法与参数也不尽相同。所以常量池的元素数量也就无法固定，因此 class 文件在常量池的前面使用 2 个字节的容量计数器，用来代表当前类中常量池的大小。如下图所示：
image.png
红色框中的 001d 转化为十进制就是 74，也就是说常量计数器的值为 74。其中下标为 0 的常量被 JVM 留作其他特殊用途，因此 Test.class 中实际的常量池大小为这个计数器的值减 1，也就是 73个。
第一个常量，如下所示：
image.png
0a 转化为 10 进制后为 10，通过查看常量池 14 种表格图中，可以查到 tag=10 的表类型为 CONSTANT_Methodref_info，因此常量池中的第一个常量类型为方法引用表。其结构如下：

  1. CONSTANT_Methodref_info {
  2.     u1 tag = 10;
  3.     u2 class_index;       // 指向此方法的所属类
  4.     u2 name_type_index;   // 指向此方法的名称和类型
  5. }

也就是说在“0a”之后的 2 个字节指向这个方法是属于哪个类，紧接的 2 个字节指向这个方法的名称和类型。它们的值分别是：
0011: 十进制 17，表示指向常量池中的第 17 个常量
0030: 十进制 48，表示指向常量池中的第 48 个常量
至此，第 1 个常量就解读完毕了。紧接着的就是第 2 个常量 07,
image.png
tag 07 表示是字段引用表 CONSTANT_Class_info ，其结构如下：

  1. CONSTANT_Class_info {  
  2.    u1 tag;  
  3.    u2 name_index;  
  4. }

0031 : 十进制 49，表示指向常量池中的第 49 个常量
到现在为止我们已经解析出了常量池中的两个常量。剩下的 21 个常量的解析过程也大同小异，这里就不一一解析了。实际上我们可以借助 javap 命令来帮助我们查看 class 常量池中的内容：
image.png

正如我们刚才分析的一样，常量池中第一个常量是 Methodref 类型，指向下标 17 和下标 48 的常量。其中下标 48 的常量类型为 NameAndType，它对应的数据结构如下：

  1. CONSTANT_NameAndType_info{
  2.     u1 tag;
  3.     u2 name_index;    指向某字段或方法的名称字符串
  4.     u2 type_index;    指向某字段或方法的类型字符串
  5. }

而下标在 48 的 NameAndType 的 name_index 和 type_index 分别指向了 36 和 37，
也就是“”和“()V”。
image.png
可以看出Test.class 文件中常量池的第 1 个常量保存的是 Object 中的默认构造器方法。

访问标志（access_flags）

紧跟在常量池之后的常量是访问标志，占用两个字节，如下图所示：
访问标志代表类或者接口的访问信息，比如：该 class 文件是类还是接口，是否被定义成 public，是否是 abstract，如果是类，是否被声明成 final 等等。各种访问标志如下所示：
Ciqah16DCV-ANSgGAAFbz25EF8Y890.png
我们定义的 Test.java 是一个普通 Java 类，不是接口、枚举或注解。并且被 public 修饰但没有被声明为 final 和 abstract，因此它所对应的 access_flags 为 0021（0X0001 和 0X0020 相结合）

类索引、父类索引与接口索引计数器

在访问标志后的 2 个字节就是类索引，类索引后的 2 个字节就是父类索引，父类索引后的 2 个字节则是接口索引计数器。如下图所示：
image.png
类索引为2:
image.png
父类索引为17:
image.png
查看在接口计数器之后的 2 个字节为：0012 ，十进制18
image.png
综上所述，可以得出如下结论：当前类为 MinorGCTest 继承自 Object 类，并实现了“Serializable”接口。

字段表

紧跟在接口索引集合后面的就是字段表了，字段表的主要功能是用来描述类或者接口中声明的变量。这里的字段包含了类级别变量以及实例变量，但是不包括方法内部声明的局部变量。
同样, 一个类中的变量个数是不固定的，因此在字段表集合之前还是使用一个计数器来表示变量的个数，如下所示：
image.png
0002 表示类中声明了 5 个变量（在 class 文件中叫字段），字段计数器之后会紧跟着 2 个字段表的数据结构。

  1. CONSTANT_Fieldref_info{
  2.     u2  access_flags    字段的访问标志
  3.     u2  name_index          字段的名称索引(也就是变量名)
  4.     u2  descriptor_index    字段的描述索引(也就是变量的类型)
  5.     u2  attributes_count    属性计数器
  6.     attribute_info
  7. }

image.png

字段访问标志

对于 Java 类中的变量，也可以使用 public、private、final、static 等标识符进行标识。因此解析字段时，需要先判断它的访问标志，字段的访问标志如下所示：
Cgq2xl6DCWCAe5MBAAEjBXwl4wA351.png
001a代表”private”,”static”,”final”
PS：
1)字段表集合中不会列出从父类或者父接口中继承而来的字段。
2)内部类中为了保持对外部类的访问性，会自动添加指向外部类实例的字段。

方法表

字段表之后跟着的就是方法计数器和方法表常量。
image.png
上面有3个方法，默认构造器方法也被包含在方法表常量中。
方法表的结构如下所示：

  1. CONSTANT_Methodref_info{
  2.     u2  access_flags;        方法的访问标志
  3.     u2  name_index;          指向方法名的索引
  4.     u2  descriptor_index;    指向方法类型的索引
  5.     u2  attributes_count;    方法属性计数器
  6.     attribute_info attributes;
  7. }

可以看到，方法也是有自己的访问标志，具体如下：
Ciqah16DCWCAAdkIAAFVaPL8OfA302.png
image.png这是removeUnuesdCacheSoftReference方法的描述
0002: 代表private
002b：image.png
0025:image.png无参，无返回类型

属性表

在之前解析字段和方法的时候，在它们的具体结构中我们都能看到有一个叫作 attributes_info 的表，这就是属性表，属性表并没有一个固定的结构，各种不同的属性只要满足以下结构即可：

  1. CONSTANT_Attribute_info{
  2.     u2 name_index;
  3.     u2 attribute_length length;
  4.     u1[] info;
  5. }

image.png
0X0001 是属性计数器，代表只有一个属性。0X0026 是属性表类型索引，通过查看常量池可以看出它是一个 Code 属性表，如下所示：
image.png
Code 属性表中，最主要的就是一些列的字节码。通过 javap -v MinorGCTest.class 之后，可以看到方法的字节码。

2#编译插桩

编译插桩就是在代码编译期间修改已有的代码或者生成新代码。实际上，我们项目中经常用到的 Dagger、ButterKnife 甚至是 Kotlin 语言，它们都用到了编译插桩的技术，Android的编译过程
Ciqah16FrD2AcPLbAABSfiJwMz0698.png
1.在 .java 文件编译成 .class 文件时，APT、AndroidAnnotation 等就是在此处触发代码生成。
2.在 .class 文件进一步优化成 .dex 文件时，也就是直接操作字节码文件，这种方式功能更加强大，应用场景也更多，但是需要对字节码有一定的理解，原理如下Cgq2xl6FrD2ABAAgAACZzFsVdz4155.png

使用场景

1）日志埋点；
2）性能监控；
3）动态权限控制；
4）业务逻辑跳转时，校验是否已经登录；
5）甚至是代码调试等。

插桩工具

AspectJ：老牌 AOP（Aspect-Oriented Programming）框架，其主要优势是成熟稳定，使用者也不需要对字节码文件有深入的理解。
ASM：可以修改现有的字节码文件，也可以动态生成字节码文件，并且它是一款完全以字节码层面来操纵字节码并分析字节码的框架

下面就插桩实现在每一个 Activity 打开时输出相应的 log 日志。

1.自定义gradle插件

1）新建一个Android Library ，在build.gradle做相应的配置

  1. apply plugin: 'groovy'
  2. apply plugin: 'maven'
  4. dependencies {
  5.     //gradle sdk
  6.     implementation gradleApi()
  7.     //groovy sdk
  8.     implementation localGroovy()
  9.     //ASM相关依赖
  10.     implementation 'org.ow2.asm:asm:7.1'
  11.     implementation 'org.ow2.asm:asm-commons:7.1'
  12. }
  14. repositories {
  15.     mavenCentral()
  16. }
  18. //group和version在后面使用自定义插件的时候会用到
  19. group='com.csz.icp'
  20. version='1.0.0'
  22. uploadArchives {
  23.     repositories {
  24.         mavenDeployer {
  25.             //提交到远程服务器：
  26.             // repository(url: "http://www.xxx.com/repos") {
  27.             //    authentication(userName: "admin", password: "admin")
  28.             // }
  29.             //本地的Maven地址设置为D:/repos
  30.             repository(url: uri('../repos'))
  31.         }
  32.     }
  33. }

2）在src/main下新建文件夹groovy和java分别存放插件和业务代码；
3）src/main 目录下新建目录 resources/META-INF/gradle-plugins，然后在此目录下新建一个文件：test.properties，其中文件名 test 就是我们自定义插件的名称，再指向我们的插件类

  1. implementation-class=com.csz.icp.TestPlugin

4）app module 中的 build.gradle 中引用此插件

  1. buildscript {
  2.     repositories {
  3.         /**
  4.          * 必须添加谷歌仓库，下载gradle插件
  5.          */
  6.         google()
  7.         jcenter()
  8.         maven {//本地Maven仓库地址
  9.             url uri('../repos')
  10.         }
  11.     }
  12.     dependencies {
  13.         //格式为-->group:module:version
  14.         classpath 'com.csz.icp:icp:1.0.0'
  15.     }
  16. }
  17. //com.hc.gradle为resources/META-INF/gradle-plugins下的properties文件名称
  18. apply plugin: 'test'

然后rebuild
image.png打印出相应的内容，成功！其实现在已经有了一些比较成熟的三方 Gradle 插件，比如 hiBeaver。如果不喜欢从头创建 Gradle 插件，可以考虑尝试使用。

2.遍历项目中所有的 .class 文件

使用自定义 Transform 找出所有的 .class 文件
什么是 Transform ？
Transform 可以被看作是 Gradle 在编译项目时的一个 task，在 .class 文件转换成 .dex 的流程中会执行这些 task，对所有的 .class 文件（可包括第三方库的 .class）进行转换，转换的逻辑定义在 Transform 的 transform 方法中。实际上平时我们在 build.gradle 中常用的功能都是通过 Transform 实现的，比如混淆（proguard）、分包（multi-dex）、jar 包合并（jarMerge）。
image.png
Transform是个抽象类，有几个方法需要我们区实现；
getName：设置我们自定义的 Transform 对应的 Task 名称。
getInputType：在项目中会有各种各样格式的文件，设置接受的文件类型，具体有两种CLASSES（代表只检索 .class 文件），RESOURCES（代表检索 java 标准资源文件）。
getScopes：规定自定义 Transform 检索的范围,有以下几种
Ciqah16FrECAc6aAAABxuVEoJS4898.png
isIncremental：表示当前 Transform 是否支持增量编译，我们不需要增量编译，所以直接返回 false 即可。
transform：最重要的方法在这个方法中，可以获取到两个数据的流向。
inputs：传过来的输入流，其中有两种格式，一种是 jar 包格式，一种是 directory（目录格式）。
outputProvider： 获取到输出目录，最后将修改的文件复制到输出目录，这一步必须做，否则编译会报错。
PS：自定义的Transform不能用TestTransform命名（踩坑，头大）

3.使用 ASM，插入字节码到 Activity 文件

ASM 是一套开源框架，其中几个常用的 API 如下：
ClassReader：负责解析 .class 文件中的字节码，并将所有字节码传递给 ClassWriter。
ClassVisitor：负责访问 .class 文件中各个元素，还记得上一课时我们介绍的 .class 文件结构吗？ClassVisitor 就是用来解析这些文件结构的，当解析到某些特定结构时（比如类变量、方法），它会自动调用内部相应的 FieldVisitor 或者 MethodVisitor 的方法，进一步解析或者修改 .class 文件内容。
ClassWriter：继承自 ClassVisitor，它是生成字节码的工具类，负责将修改后的字节码输出为 byte 数组。

如果想使用 ASM，需要程序员对字节码有一定的理解。如果对字节码不是很了解，也可以借助三方工具 ASM Bytecode Outline 来生成想要的字节码。
创建ClassVisitor
image.png
创建MethodVisitor
image.png
修改transform
image.png
部署插件，重新在 app 中依赖自定义插件并运行主项目，打开主界面，logcat日志
image.png
PS：如果在项目中打开了混淆，那注入的字节码会受到影响吗？ 其实无需担心，因为混淆其实也是一个 Transform，叫作 ProguardTransform，它是在自定义的 Transform 之后执行。

Demo实例参考

以上为全部内容！