Трансформация кода в Android

Вместо вступления

Всё началось с того, что мне захотелось изучить тонкости настройки Gradle, понять его возможности в Android разработке (да и вообще). Начал с жизненного цикла и книги, постепенно писал простые таски, попробовал создать свой первый Gradle плагин (в buildSrc) и тут понеслось.

Решив сделать что-то, приближенное к реальному миру Android разработки, написал плагин, который парсит layout xml файлы разметки и создает по ним Java объект со ссылками на вьюхи. Затем побаловался с трансформацией манифеста приложения (того требовала реальная задача на рабочем проекте), так как после трансформации манифест занимал порядка 5к строк, а работать в IDE с таким xml файлом довольно тяжело.

Так я разобрался как генерировать код и ресурсы для Android проекта, но со временем захотелось чего-то большего. Появилась мысль, что было бы круто трансформировать AST (Abstract Syntax Tree) в compile time как это делает Groovy из-под коробки. Такое метапрограммирование открывает много возможностей, была бы фантазия.

Дабы теория не была просто теорией, я решил подкреплять изучение темы созданием чего-то полезного для Android разработки. Первое, что пришло на ум — сохранение состояния при пересоздании системных компонентов. Грубо говоря, сохранение переменных в Bundle максимально простым способом с минимальным бойлерплейтом.

С чего начать?

1. Во-первых, необходимо понять как в жизненном цикле Gradle в Android проекте получить доступ к необходимым файлам, которые мы потом будем трансформировать.
2. Во-вторых, когда мы получим необходимые файлы, надо понять как правильно их трансформировать.

Начнем по порядку:

Получаем доступ к файлам в момент компиляции

Так как файлы мы будем получать в compile time, то нам нужен Gradle плагин, который будет перехватывать файлы и заниматься трансформацией. Плагин в данном случае максимально простой. Но сперва покажу как примерно будет выглядеть build.gradle файл модуля с плагином:

apply plugin: 'java-gradle-plugin'
apply plugin: 'groovy'

dependencies {
    implementation gradleApi()

    implementation 'com.android.tools.build:gradle:3.5.0'
    implementation 'com.android.tools.build:gradle-api:3.5.0'
    implementation 'org.ow2.asm:asm:7.1'
}

1. apply plugin: 'java-gradle-plugin' говорит о том, что это модуль с градл плагином.
2. apply plugin: 'groovy' этот плагин нужен для того, чтобы можно было писать на груви (здесь не важно, можно писать хоть на Groovy, хоть на Java, хоть на Kotlin, кому как удобно). Я изначально привык писать плагины на груви, так как он имеет динамическую типизацию и иногда это может быть полезно, а если она не нужна, то можно просто поставить аннотацию @TypeChecked.
3. implementation gradleApi() — подключаем зависимость Gradle API чтобы был доступ к org.gradle.api.Plugin, org.gradle.api.Project и т.д.
4. 'com.android.tools.build:gradle:3.5.0' и 'com.android.tools.build:gradle-api:3.5.0' нужны для доступа к сущностям андроид плагина.
5. 'com.android.tools.build:gradle-api:3.5.0' библиотека для трансформации байткода, о ней поговорим дальше.

Перейдем к самому плагину, как я и говорил, он довольно прост:

class YourPlugin implements Plugin<Project> {

  @Override
  void apply(@NonNull Project project) {
    boolean isAndroidApp = project.plugins.findPlugin('com.android.application') != null
    boolean isAndroidLib = project.plugins.findPlugin('com.android.library') != null
    if (!isAndroidApp && !isAndroidLib) {
      throw new GradleException(
          "'com.android.application' or 'com.android.library' plugin required."
      )
    }
    BaseExtension androidExtension = project.extensions.findByType(BaseExtension.class)
    androidExtension.registerTransform(new YourTransform())
  }
}

Начнем с isAndroidApp и isAndroidLib, здесь мы просто проверяем что это Android проект/библиотека, если нет, кидаем исключение. Далее регистрируем YourTransform в андроид плагине через androidExtension. YourTransform это сущность для получения необходимого набора файлов и возможного их преобразования, она должна наследовать абстрактный класс com.android.build.api.transform.Transform.

Перейдем непосредственно к YourTransform, рассмотрим сперва основные методы, которые необходимо переопределить:

class YourTransform extends Transform {

  @Override
  String getName() {
    return YourTransform.simpleName
  }

  @Override
  Set<QualifiedContent.ContentType> getInputTypes() {
    return TransformManager.CONTENT_CLASS
  }

  @Override
  Set<? super QualifiedContent.Scope> getScopes() {
    return TransformManager.PROJECT_ONLY
  }

  @Override
  boolean isIncremental() {
    return false
  }
}

• getName — здесь нужно вернуть имя, которое будет использоваться для таски трансформации, например для debug сборки в данном случае таска будет называться так: transformClassesWithYourTransformForDebug.
• getInputTypes — указываем какие типы нас интересуют: классы, ресурсы или и то и другое (см. com.android.build.api.transform.QualifiedContent.DefaultContentType). Если указать CLASSES то для трансформации мы получим только class файлы, в данном случае нас интересуют именно они.
• getScopes — указываем какие скоупы будем трансформировать (см. com.android.build.api.transform.QualifiedContent.Scope). Скоупы это область видимости файлов. Например в моем случае это PROJECT_ONLY, значит трансформировать будем только те файлы, которые относятся к модулю проекта. Здесь можно также включить саб-модули, библиотеки и т.д.
• isIncremental — здесь мы говорим андроид плагину, поддерживает ли наша трансформация инкрементальную сборку: если true, то нам нужно корректно разруливать все измененные, добавленные и удаленные файлы, а если false то на трансформацию будут прилетать все файлы, однако, если изменений в проекте не было, то трансформация вызываться не будет.

Остался самый основной и самый сладкий метод, в котором и будет происходить трансформация файлов transform(TransformInvocation transformInvocation). К сожалению, я нигде не смог найти нормальное объяснение как корректно работать с этим методом, находил лишь китайские статьи и несколько примеров без особых объяснений, вот один из вариантов.

Что я понял пока изучал как работать с трансформатором:

1. Все трансформаторы подцепляются к процессу сборки цепочкой. То есть вы пишете логику, которая будет втиснута в уже налаженный процесс. После вашего трансформатора отработает другой и т.д.
2. ОЧЕНЬ ВАЖНО: даже если вы не планируете трансформировать какой-нибудь файл, например вы не хотите изменять jar файлы, которые прилетят вам, их все равно обязательно нужно скопировать в вашу output директорию без изменения. Этот пункт вытекает из первого. Если вы не передадите файл дальше по цепочке другому трансформатору, то в итоге файла просто не будет.

Рассмотрим как должен выглядеть метод transform:

@Override
void transform(
      TransformInvocation transformInvocation
  ) throws TransformException, InterruptedException, IOException {
    super.transform(transformInvocation)

    transformInvocation.outputProvider.deleteAll()

    transformInvocation.inputs.each { transformInput ->
      transformInput.directoryInputs.each { directoryInput ->
        File inputFile = directoryInput.getFile()

        File destFolder = transformInvocation.outputProvider.getContentLocation(
            directoryInput.getName(),
            directoryInput.getContentTypes(),
            directoryInput.getScopes(),
            Format.DIRECTORY
        )
        transformDir(inputFile, destFolder)
      }

      transformInput.jarInputs.each { jarInput ->
        File inputFile = jarInput.getFile()

        File destFolder = transformInvocation.outputProvider.getContentLocation(
            jarInput.getName(),
            jarInput.getContentTypes(),
            jarInput.getScopes(),
            Format.JAR
        )
        FileUtils.copyFile(inputFile, destFolder)
      }
    }
  }

На вход к нам приходит TransformInvocation, который содержит всю необходимую информацию для дальнейших преобразований. Сперва чистим директорию, куда будет производиться запись новых файлов transformInvocation.outputProvider.deleteAll(), это делается, так как трансформатор не поддерживает инкрементальную сборку и перед трансформацией необходимо удалить старые файлы.

Далее пробегаемся по всем inputs и в каждом input пробегаемся по директориям и jar файлам. Можно заметить, что все jar файлы просто копируются чтобы пойти дальше в следующий трансформатор. Причем копирование должно происходить в директорию вашего трансформатора build/intermediates/transforms/YourTransform/.... Корректную директорию можно получить с помощью transformInvocation.outputProvider.getContentLocation.

Рассмотрим метод, который уже занимается извлечением конкретных файлов для изменения:

private static void transformDir(File input, File dest) {
    if (dest.exists()) {
      FileUtils.forceDelete(dest)
    }
    FileUtils.forceMkdir(dest)
    String srcDirPath = input.getAbsolutePath()
    String destDirPath = dest.getAbsolutePath()
    for (File file : input.listFiles()) {
      String destFilePath = file.absolutePath.replace(srcDirPath, destDirPath)
      File destFile = new File(destFilePath)
      if (file.isDirectory()) {
        transformDir(file, destFile)
      } else if (file.isFile()) {
        if (file.name.endsWith(".class")
            && !file.name.endsWith("R.class")
            && !file.name.endsWith("BuildConfig.class")
            && !file.name.contains("R\$")) {
          transformSingleFile(file, destFile)
        } else {
          FileUtils.copyFile(file, destFile)
        }
      }
    }
  }

На вход получаем директорию с исходным кодом и директорию куда надо записать измененные файлы. Рекурсивно пробегаемся по всем директориям и достаем class файлы. Перед трансформацией есть еще небольшая проверка, позволяющая отсеять лишние классы.

if (file.name.endsWith(".class") 
    && !file.name.endsWith("R.class") 
    && !file.name.endsWith("BuildConfig.class")
    && !file.name.contains("R\$")) {
    transformSingleFile(file, destFile)
} else {
    FileUtils.copyFile(file, destFile)
}

Так мы подобрались к методу transformSingleFile, который уже перетекает во второй пункт нашего изначального плана

Во-вторых, когда мы получим необходимые файлы, надо понять как правильно их трансформировать.

Трансформация во всей ее красе

Для более менее удобной трансформации полученных class файлов есть несколько библиотек: javassist, позволяет модифицировать как байткод, так и исходный код (не обязательно погружаться в изучение байткода) и ASM, которая позволяет модифицировать только байткод и имеет 2 разных API.

Я остановил свой выбор на ASM, так как было интересно погрузиться в структуру байткода и плюс ко всему, Core API парсит файлы по принципу SAX парсера, что обеспечивает высокую производительность.

Метод transformSingleFile может отличаться в зависимости от выбранного инструмента модификации файлов. В моем случае он выглядит довольно просто:

private static void transformClass(String inputPath, String outputPath) {
    FileInputStream is = new FileInputStream(inputPath)
    ClassReader classReader = new ClassReader(is)
    ClassWriter classWriter = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES)

    StaterClassVisitor adapter = new StaterClassVisitor(classWriter)

    classReader.accept(adapter, ClassReader.EXPAND_FRAMES)
    byte [] newBytes = classWriter.toByteArray()
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(outputPath)
    fos.write(newBytes)
    fos.close()
  }

Создаем ClassReader для чтения файла, создаем ClassWriter для записи нового файла. Я использую ClassWriter.COMPUTE_FRAMES для автоматического вычисления фреймов стека, так как с Locals и Args_size (терминология байткода) я более менее разобрался, а вот с фреймами пока не особо. Автоматическое вычисление фреймов немного медленнее, чем делать это вручную.
Затем создаем свой StaterClassVisitor, наследующий ClassVisitor и передает classWriter. Получается что наша логика изменения файла накладывается поверх стандартного ClassWriter. В библиотеке ASM все Visitor сущности строятся таким образом. Далее формируем массив байт для нового файла и генерим файл.

Дальше пойдут детали моего практического применения изученной теории.

Сохранение состояния в Bundle с помощью аннотации

Итак, я поставил себе задачу максимально избавиться от бойлерплейта сохранения данных в bundle при пересоздании Activity. Хотел все сделать так:

public class MainActivityJava extends AppCompatActivity {

  @State
  private int savedInt = 0;

Но пока, в целях максимальной эффективности, сделал так (далее расскажу почему):

@Stater
public class MainActivityJava extends AppCompatActivity {

  @State(StateType.INT)
  private int savedInt = 0;

И это действительно работает! После трансформации код MainActivityJava выглядит следующим образом:

@Stater
public class MainActivityJava extends AppCompatActivity {

  @State(StateType.INT)
  private int savedInt = 0;

protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
    if (savedInstanceState != null) {
      this.savedInt = savedInstanceState.getInt("com/example/stater/MainActivityJava_savedInt");
    }
    super.onCreate(savedInstanceState);
}

protected void onSaveInstanceState(@NonNull Bundle outState) {
    outState.putInt("com/example/stater/MainActivityJava_savedInt", this.savedInt);
    super.onSaveInstanceState(outState);
}

Идея очень простая, перейдем к реализации.
Core API не позволяет иметь полную структуру всего class файла, нам нужно получать все необходимые данные в определенных методах. Если заглянуть в StaterClassVisitor, то можно увидеть, что в методе visit мы достаем информацию о классе, в StaterClassVisitor мы проверяем отмечен ли наш класс аннотацией @Stater.

Затем наш ClassVisitor пробегает по всем полям класса, вызывая метод visitField, если класс нужно трансформировать, вызывается наш StaterFieldVisitor:

@Override
FieldVisitor visitField(int access, String name, String descriptor, String signature, Object value) {
    FieldVisitor fv = super.visitField(access, name, descriptor, signature, value)
    if (needTransform) {
      return new StaterFieldVisitor(fv, name, descriptor, owner)
    }
    return fv
}

StaterFieldVisitor проверяет наличие аннотации @State и в свою очередь возвращает StateAnnotationVisitor в методе visitAnnotation:

@Override
AnnotationVisitor visitAnnotation(String descriptor, boolean visible) {
    AnnotationVisitor av = super.visitAnnotation(descriptor, visible)
    if (descriptor == Descriptors.STATE) {
      return new StateAnnotationVisitor(av, this.name, this.descriptor, this.owner)
    }
    return av
}

Который уже и формирует список полей, необходимых для сохранения/восстановления:

@Override
void visitEnum(String name, String descriptor, String value) {
    String typeString = (String) value
    SaverField field = new SaverField(this.name, this.descriptor, this.owner, StateType.valueOf(typeString))
    Const.stateFields.add(field)
    super.visitEnum(name, descriptor, value)
  }

Получается древовидная структура наших визиторов, которые, в итоге, формируют список моделек SaverField со всей необходимой нам информацией для генерации сохранения состояния.
Далее наш ClassVisitor начинает пробегать по методам и трансформировать onCreate и onSaveInstanceState. Если методы не найдены, то в visitEnd (вызывается после прохождения всего класса) они генерируются с нуля.

Где же байткод?

Самое интересно начинается в классах OnCreateVisitor и OnSavedInstanceStateVisitor. Для корректной модификации байткода, необходимо хотя бы немного представлять его структуру. Все методы и опкоды ASM очень схожи с реальными инструкциями баткойда, это позволяет оперировать одинаковыми понятиями.
Рассмотрим пример модификации метода onCreate и сопоставим его со сгенерированным кодом:

if (savedInstanceState != null) {
      this.savedInt = savedInstanceState.getInt("com/example/stater/MainActivityJava_savedInt");
}

Проверка бандла на нулл соотносится со следующими инструкциями:

Label l1 = new Label()
mv.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 1)
mv.visitJumpInsn(Opcodes.IFNULL, l1)
//... Здесь достаем поля из бандла
mv.visitLabel(l1)

Простыми словами:

1. Создаем лейбл l1 (просто метка, на которую можно перейти).
2. Загружаем в память ссылочную переменную с индексом 1. Так как индекс 0 всегда соответсвует ссылке на this, то в данном случае 1 это ссылка на Bundle в аргументе.
3. Сама проверка на нулл и указание инструкции goto на лейбл l1. visitLabel(l1) указывается после работы с бандлом.

При работе с бандлом мы пробегаемся по списку сформированных полей и вызываем инструкцию PUTFIELD — присвоение переменной. Посмотрим на код:

mv.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 0)
mv.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 1)
mv.visitLdcInsn(field.key)

final StateType type = MethodDescriptorUtils.primitiveIsObject(field.descriptor) ? StateType.SERIALIZABLE : field.type
MethodDescriptor methodDescriptor = MethodDescriptorUtils.getDescriptorByType(type, true)
if (methodDescriptor == null || !methodDescriptor.isValid()) {
    throw new IllegalStateException("StateType for ${field.name} in ${field.owner} is unknown!")
}
mv.visitMethodInsn(
  Opcodes.INVOKEVIRTUAL,
  Types.BUNDLE,
  methodDescriptor.method,
  "(${Descriptors.STRING})${methodDescriptor.descriptor}",
  false
)
// cast
if (type == StateType.SERIALIZABLE
    || type == StateType.PARCELABLE
    || type == StateType.PARCELABLE_ARRAY
    || type == StateType.IBINDER
) {
  mv.visitTypeInsn(Opcodes.CHECKCAST, Type.getType(field.descriptor).internalName)
}
mv.visitFieldInsn(Opcodes.PUTFIELD, field.owner, field.name, field.descriptor)

MethodDescriptorUtils.primitiveIsObject — здесь делается проверка на то, что переменная имеет тип обертки, если это так, то тип переменной считаем как Serializable. Затем вызывается геттер у бандла, кастуется при необходимости и присваивается переменной.

На этом все, генерация кода в методе onSavedInstanceState происходит аналогичным способом, пример.

Немного о производительности

Для проверки создал 10 активити, в каждой по 46 сохраняемых полей разных типов, проверял на команде ./gradlew :app:clean :app:assembleDebug. Время занимаемое моей трансформацией колеблется в интервале 108 — 200 мс.

Советы

• Если интересно смотреть какой в итоге получается байткод, можно подключить TraceClassVisitor (предоставляемый ASM) к своему процессу трансформации:

  
  

  private static void transformClass(String inputPath, String outputPath) {
  ...
  TraceClassVisitor traceClassVisitor = new TraceClassVisitor(classWriter, new PrintWriter(System.out))
  StaterClassVisitor adapter = new StaterClassVisitor(traceClassVisitor)
  ...
  }

  
  

  TraceClassVisitorв данном случае будет писать в консоль весь байткод классов, которые через него прошли, очень удобная утилита на стадии отладки.

  
  

• При некорректной модификации байткода вылетают очень непонятные ошибки, поэтому по возможности стоит логировать потенциально опасные участки кода или генерировать свои исключения.

  
  

Подытожим

Модификация исходного кода — мощный инструмент. С его помощью можно реализовать множество идей. По этому принципу работает proguard, realm, robolectric и другие фреймворки. AOP тоже возможно именно благодаря трансформации кода.
А знание структуры байткода позволяет разработчику понимать во что в итоге компилируется написанный им код. Да и при модификации не нужно думать на каком языке написан код, на Java или на Kotlin, а модифицировать непосредственно байткод.

Данная тема показалась мне очень интересной, основные трудности были при освоении Transform API от гугла, так как особой документацией и примерами они не радуют. У ASM, в отличие от Transform API, прекрасная документация, есть очень подробный гайд в виде pdf файла на 150 страниц. А, так как методы фреймворка очень похожи на реальные инструкции байткода, гайд оказывается полезным вдвойне.

Думаю на этом моё погружение в трансформацию, байткод и вот это вот все не закончилось, буду продолжать изучать и, может, напишу что-нибудь ещё.

Ссылки

Пример на гитхабе
ASM
Статья на Хабре про байткод
Еще немного про байткод
Transform API
Ну и чтение документации