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Android端代码染色原理及技术实践

文章来源：infoq高德技术

导读

高德地图开放平台产品不断迭代，代码逻辑越来越复杂，现有的测试流程不能保证完全覆盖所有业务代码，测试不到的代码及分支，会存在一定的风险。为了保证测试全面覆盖，需要引入代码覆盖率做为测试指标，需要对SDK代码进行染色，测试结束后可生成代码覆盖率报告，作为发版前的一项重要卡点指标。本文小结了Android端代码染色原理及技术实践。

JaCoCo工具

JaCoCo有以下优点：

  • 支持Ant和Gradle打包方式，可以自由切换。
  • 支持离线模式，更贴合SDK的使用场景。
  • JaCoCo文档比较全面，还在持续维护，有问题便于解决。

JaCoCo主要是通过ASM技术对Java字节码进行处理和插桩，ASM和Java字节码技术不是本文重点，感兴趣的朋友可以自行了解。下面重点介绍JaCoCo的插桩原理。

Jacoco探针

由于Java字节码是线性的指令序列，所以JaCoCo主要是利用ASM处理字节码，在需要的地方插入一些特殊代码。

我们通过Test1方法观察一下JaCoCo做的处理。

代码语言：javascript
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//原始java方法
  public static int Test1(int a, int b) {
        int c = a + b;
        int d = c + a;
        return d;
   }
//--------------------------我是分割线--------------------------------------------//
//jacoco处理后的方法
    private static transient /* synthetic */ boolean[] $jacocoData;

    public static int Test1(final int a, final int b) {
        final boolean[] $jacocoInit = $jacocoInit();
        final int c = a + b;
        final int n;
        final int d = n = c + a;
        $jacocoInit[3] = true;
        return n;
}
  private static  boolean[] $jacocoInit() {
        boolean[] $jacocoData;
      if (($jacocoData = TestInstrument.$jacocoData) == null) {
            $jacocoData = (TestInstrument.$jacocoData = 
                           Offline.getProbes(-6846167369868599525L,
                                             "com/jacoco/test/TestInstrument", 4));
        }
        return $jacocoData;
}

可以看出代码中插入了多个Boolean数组赋值，自动添加了jacocoInit方法和jacocoData数组声明。

JaCoCo统计覆盖率就是标记Boolean数组, 只要执行过的代码，就对相应角标的Boolean数组进行赋值, 最后对Boolean进行统计即可得出覆盖率，这个数组官方的名字叫探针 (Probe)。

探针是由以下四行字节码组成，探针不改变该代码的行为，只记录他们是否已被执行，从理论上讲，可以在每行代码都插入一个探针，但是探针本身需要多个字节码指令，这将增加几倍的类文件的大小和执行速度，所以JaCoCo有一定的插桩策略。

代码语言：javascript
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ALOAD    probearray
xPUSH    probeid
ICONST_1
BASTORE

探针插桩策略

探针的插入需要遵循一定策略，大体可分成以下三个策略：

  • 统计方法的执行情况。
  • 统计分支语句的执行情况。
  • 统计普通代码块的执行情况。

方法的执行情况

这个比较容易处理, 在方法头或者方法尾加就可以了。

  • 方法尾加: 能说明方法被执行过, 且说明了探针上面的方法被执行了，但是这种处理比较麻烦, 可能有多个return或者throw。
  • 方法头加: 处理简单, 但只能说明方法有进去过。

通过分析源码，发现JaCoCo是在方法结尾处插入探针，retrun和throw之后都会加入探针。

代码语言：javascript
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  public void visitInsn(final int opcode) {
    switch (opcode) {
    case Opcodes.IRETURN:
    case Opcodes.LRETURN:
    case Opcodes.FRETURN:
    case Opcodes.DRETURN:
    case Opcodes.ARETURN:
    case Opcodes.RETURN:
    case Opcodes.ATHROW:
      probesVisitor.visitInsnWithProbe(opcode, idGenerator.nextId());
      break;
    default:
      probesVisitor.visitInsn(opcode);
      break;
    }
  }

分支的执行情况

Java字节码通过Jump指令来控制跳转，分为有条件Jump和无条件Jump。

  • 无条件Jump (goto)

这种一般出现在continue, break 中, 由于在任何情况下都执行无条件跳转，因此在GOTO指令之前插入探针。

官方文档中介绍

示例代码

有条件Jump (if-else)

这种经常出现于if等有条件的跳转语句，JaCoCo会对if语句进行反转，将字节码变成if not的逻辑结构。

为什么要对if进行反转？下面示例将说明原因。

Test4方法是一个普通的单条件if语句，可以看到JaCoCo将>10的条件反转成<=10，为什么要进行反转而不是直接在原有if后面增加else块呢？继续往下看复杂一点的情况。

代码语言：javascript
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//源码    
public static void Test4(int a) {
        if(a>10){
            a=a+10;
        }
        a=a+12;
    }

//jacoco处理后的字节码
    public static void Test4(int a) {
        boolean[] var1 = $jacocoInit();
        if (a <= 10) {
            var1[11] = true;
        } else {
            a += 10;
            var1[12] = true;
        }
        a += 12;
        var1[13] = true;
    }

Test5方法是一个多条件的if语句，可以看出来将两个组合条件拆分成单一条件，并进行反转。

这样做的好处：可以完整统计到每个条件分支的执行情况，各种条件都会插入探针，保证了完整的覆盖，而反转操作再配合GOTO指令可以更简单的插入探针，这里可以看出JaCoCo的处理非常巧妙。

代码语言：javascript
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//源码，if有多个条件
    public static void Test5(int a,int b) {
        if(a>10 || b>10){
            a=a+10;
        }
        a=a+12;
    }

//jacoco处理后的字节码。
    public static void Test5(int a, int b) {
        boolean[] var2;
        label15: {
            var2 = $jacocoInit();
            if (a > 10) {
                var2[14] = true;
            } else {
                if (b <= 10) {
                    var2[15] = true;
                    break label15;
                }
                var2[16] = true;
            }
            a += 10;
            var2[17] = true;
        }
        a += 12;
        var2[18] = true;
    }

可以通过测试报告看出来，标记为黄色代表分支执行情况覆盖不完整，标记为绿色代表分支所有条件都执行完整了。

代码块的执行情况

理论上只要在每行代码前都插入探针即可, 但这样会有性能问题。JaCoCo考虑到非方法调用的指令基本都是按顺序执行的， 因此对非方法调用的指令不插入探针, 而对方法调用的指令之前都插入探针。

Test6方法内在调用Test方法前都插入了探针。

代码语言：javascript
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public static void Test6(int a, int b) {
        boolean[] var2 = $jacocoInit();
        a += b;
        b = a + a;
        var2[19] = true;
        Test();
        int var10000 = a + b;
        var2[20] = true;
        Test();
        var2[21] = true;
    }

源码解析

通过上面的示例，我们暂时通过表面现象理解了探针插入策略。知其然不知其所以然，我们通过源码分析论证一下JaCoCo的真实逻辑，看看JaCoCo是如何通过ASM，来实现探针插入策略的。

源码MethodProbesAdapter.java类中，通过needsProbe方法判断Lable前面是否需要插入探针。

代码语言：javascript
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  @Override
  public void visitLabel(final Label label) {
    if (LabelInfo.needsProbe(label)) {
      if (tryCatchProbeLabels.containsKey(label)) {
        probesVisitor.visitLabel(tryCatchProbeLabels.get(label));
      }
      probesVisitor.visitProbe(idGenerator.nextId());
    }
    probesVisitor.visitLabel(label);
  }

下面看一下needsProbe方法，主要的限制条件有三个successor、multiTarget、methodInvocationLine。

代码语言：javascript
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  public static boolean needsProbe(final Label label) {
    final LabelInfo info = get(label);
    return info != null && info.successor
        && (info.multiTarget || info.methodInvocationLine);
  }

先看到successor属性。顾名思义，表示当前的Lable是否是前一条Lable的继任者，也就是说当前指令和上一条指令是否是连续的，两条指令中间没有插入GOTO或者return.

LabelFlowAnalyzer.java类中，对每行指令进行流程分析，对successor属性赋值。

代码语言：javascript
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  boolean successor = false;//默认是false
  boolean first = true; //默认是true

  @Override
  public void visitJumpInsn(final int opcode, final Label label) {
    LabelInfo.setTarget(label);
    if (opcode == Opcodes.JSR) {
      throw new AssertionError("Subroutines not supported.");
    }
        //如果是GOTO指令，successor=false，表示前后两条指令是断开的。
    successor = opcode != Opcodes.GOTO; 
    first = false;
  }

  @Override
  public void visitInsn(final int opcode) {
    switch (opcode) {
    case Opcodes.RET:
      throw new AssertionError("Subroutines not supported.");
    case Opcodes.IRETURN:
    case Opcodes.LRETURN:
    case Opcodes.FRETURN:
    case Opcodes.DRETURN:
    case Opcodes.ARETURN:
    case Opcodes.RETURN:
    case Opcodes.ATHROW:
      successor = false; //return或者throw，表示两条指令是断开的
      break;
    default:
      successor = true; //普通指令的话，表示前后两条指令是连续的
      break;
    }
    first = false;
  }

  @Override
  public void visitLabel(final Label label) {
    if (first) {
      LabelInfo.setTarget(label);
    }
    if (successor) {//这里设置当前指令是不是上一条指令的继任者，
            //源码中，只有这一个地方地方会触发这个条件赋值，也就是访问每个label的第一条指令。
      LabelInfo.setSuccessor(label);
    }
  }

再看一下methodInvocationLine属性，当ASM访问到visitMethodInsn方法的时候，就标记当前Lable代表调用一个方法，将methodInvocationLine赋值为True

代码语言：javascript
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  @Override
  public void visitLineNumber(final int line, final Label start) {
    lineStart = start;
  }

  @Override
  public void visitMethodInsn(final int opcode, final String owner,
      final String name, final String desc, final boolean itf) {
    successor = true;
    first = false;
    markMethodInvocationLine();
  }

  private void markMethodInvocationLine() {
    if (lineStart != null) {
            //lineStart就是当前这个Lable
      LabelInfo.setMethodInvocationLine(lineStart);
    }
  }

  LabelInfo.java类
  public static void setMethodInvocationLine(final Label label) {
    create(label).methodInvocationLine = true;
  }

再看一下multiTarget属性，它表示当前指令是否可能从多个来源跳转过来。源码在下面。

当执行到一条Jump语句时，第二个参数表示要跳转到的Label，这时就会标记一次来源，后续分析流到了该Lable，如果它还是一条继任者指令，那么就将它标记为多来源指令。

代码语言：javascript
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public void visitJumpInsn(final int opcode, final Label label) {
    LabelInfo.setTarget(label);//Jump语句 将Lable标记一次为true
    if (opcode == Opcodes.JSR) {
      throw new AssertionError("Subroutines not supported.");
    }
    successor = opcode != Opcodes.GOTO;
    first = false;
  }

//如果当设置它是否是上一条指令的后续指令时，再一次设置它为multiTarget=true，表示至少有2个来源
public static void setSuccessor(final Label label) {
    final LabelInfo info = create(label);
    info.successor = true;
    if (info.target) {
      info.multiTarget = true;
    }
  }

特殊问题解答

有了前面对源码的分析，再来看一些特殊情况。

问：else块结尾为什么会插入探针？

答：L3的来源有两处，一处是GOTO来的，一处是L1顺序执行来的，使得multiTarget = true条件成立，所以在L3之前插入探针，表现在Java代码中就是在else块结尾增加了探针。

问：为什么case 1条件里第一个Test方法前不插入探针？

答：L1上一条是指GOTO指令，使得successor = false，所以该方法调用前无需插入探针。

探针插桩结论

通过以上分析得出结论，代码块中探针的插入策略：

  • return和throw之前插入探针。
  • 复杂if语句，为统计分支覆盖情况，会进行反转成if not，再对个分支插入探针。
  • 当前指令是上一条指令的连续，并且当前指令是触发方法调用，则插入探针。
  • 当前指令和上一条指令是连续的，并且是有多个来源的时候，则插入探针。

构建SDK染色包

利用JaCoCo提供的Ant插件，在原有打包脚本上进行修改。

  • Ant脚本根节点增加JaCoCo声明。
  • 引入jacocoant 自定义task。
  • 在compile task完成之后，运行instrument任务，对原始classes文件进行插桩，生成新的classes文件。
  • 将插桩后的classes打包成jar包,不需要混淆，就完成了染色包的构建。
代码语言：javascript
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<project name="Example" xmlns:jacoco="antlib:org.jacoco.ant"> //增加jacoco声明
    //引入自定义task  
    <taskdef uri="antlib:org.jacoco.ant" resource="org/jacoco/ant/antlib.xml"> 
        <classpath path="path_to_jacoco/lib/jacocoant.jar"/>
    </taskdef>

    ...
    //对classes插桩
    <jacoco:instrument destdir="target/classes-instr" depends="compile">
      <fileset dir="target/classes" includes="**/*.class"/>
    </jacoco:instrument>

</project>

测试工程配置

将生成的染色包放入测试工程lib库中，测试工程build.gradle配置中开启覆盖率统计开关。

官方gradle插件默认自带JaCoCo支持，需要开启开关。

代码语言：javascript
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testCoverageEnabled = true //开启代码染色覆盖率统计

收集覆盖率报告的方式有两种，一种是用官方文档里介绍的：配置jacoco-agent.properties文件，放Demo的resources资源目录下。

文件配置生成覆盖率产物的路径，然后测试完Demo，在终止JVM也就是退出应用的时候，会自动将覆盖率数据写入，这种方式不方便对覆盖率文件命名自定义，多轮测试产物不明确。

代码语言：javascript
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destfile=/sdcard/jacoco/coverage.ec

另一种方式是利用反射技术：反射调用jacoco.agent.rt.RT类的getExecutionData方法，获取上文中探针的执行数据，将数据写入sdcard中，生成ec文件。这段代码可以在应用合适位置触发，推荐退出之前调用。

代码语言：javascript
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    /**
     * 生成ec文件
     */
    public static void generateEcFile(boolean isNew, Context context) {
        File file = new File(DEFAULT_COVERAGE_FILE_PATH);
        if(!file.exists()){
            file.mkdir();
        }
        DEFAULT_COVERAGE_FILE = DEFAULT_COVERAGE_FILE_PATH + File.separator+ "coverage-"+getDate()+".ec";
        Log.d(TAG, "生成覆盖率文件: " + DEFAULT_COVERAGE_FILE);
        OutputStream out = null;
        File mCoverageFilePath = new File(DEFAULT_COVERAGE_FILE);
        try {
            if (!mCoverageFilePath.exists()) {
                mCoverageFilePath.createNewFile();
            }
            out = new FileOutputStream(mCoverageFilePath.getPath(), true);

            Object agent = Class.forName("org.jacoco.agent.rt.RT")
                    .getMethod("getAgent")
                    .invoke(null);

            out.write((byte[]) agent.getClass().getMethod("getExecutionData", boolean.class)
                    .invoke(agent, false));
            Log.d(TAG,"写入" + DEFAULT_COVERAGE_FILE + "完成!" );
            Toast.makeText(context,"写入" + DEFAULT_COVERAGE_FILE + "完成!",Toast.LENGTH_SHORT).show();
        } catch (Exception e) {
            Log.e(TAG, "generateEcFile: " + e.getMessage());
            Log.e(TAG,e.toString());
        } finally {
            if (out == null)
                return;
            try {
                out.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();

            }
        }
    }

覆盖率报告生成

JaCoCo支持将多个ec文件合并，利用Ant脚本即可。

代码语言：javascript
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<jacoco:merge destfile="merged.exec">
    <fileset dir="executionData" includes="*.exec"/>
</jacoco:merge>

将ec文件从手机导出，配合插桩前的classes文件、源码文件(可选），配置Ant脚本中，就可以生成Html格式的覆盖率报告。

代码语言：javascript
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<jacoco:report>

    <executiondata>
        <file file="jacoco.exec"/>
    </executiondata>

    <structure name="Example Project">
        <classfiles>
            <fileset dir="classes"/>
        </classfiles>
        <sourcefiles encoding="UTF-8">
            <fileset dir="src"/>
        </sourcefiles>
    </structure>

    <html destdir="report"/>

</jacoco:report>

熟悉Java字节码技术、ASM框架、理解JaCoCo插桩原理，可以有各种手段玩转SDK，例如在不修改源码的情况下，在打包阶段可以动态插入和删除相应代码，完成一些特殊需求。

参考连接

https://www.jacoco.org/jacoco/trunk/doc/index.html

本文转载自公众号高德技术（ID：amap_tech）。

原文链接：

Android端代码染色原理及技术实践

  • 发表于:
  • 本文为 InfoQ 中文站特供稿件
  • 首发地址：https://www.infoq.cn/article/4tEg1Dr2eSZqo3fUgYLg
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