通过ASM解析.class文件，构建方法调用结构，并利用js-sequence-diagrams工具生成可视化的时序图，帮助开发者高效理解代码调用关系

<think>我们正在使用ASM解析Java字节码，目的是构建方法调用结构，然后生成时序图。步骤：1.使用ASM访问类文件，收集每个方法的信息（类名、方法名、描述符）以及方法内部调用的其他方法。2.构建一个数据结构（如上面的MethodInfo）来存储方法及其调用的方法列表。3.我们需要记录整个程序（多个类）的方法调用关系，因此需要一个全局的存储（比如Map）来记录每个方法（用唯一标识）对应的MethodInfo对象。4.在访问方法时，对于方法体中的每个方法调用指令（如INVOKEVIRTUAL等），我们解析出被调用方法的类名、方法名和描述符，并创建或获取对应的MethodInfo对象，然后将其添加到当前方法的调用列表中。5.注意：需要处理类名（内部类用$分隔，在字节码中是以/分隔，我们需要转换为.，并且对于数组等特殊类型也要处理）。ASM的Type类可以帮助我们解析描述符。6.在构建完整的方法调用关系后，我们可以根据需求生成时序图。这里我们使用js-sequence-diagrams，它使用一种简单的文本语法来描述时序图，例如：participantAparticipantBA->B:Message7.我们需要从某个入口方法（如main）开始，模拟调用的顺序，记录方法调用的序列。但是注意，静态分析无法得到动态调用的顺序（因为有多态、循环、条件等），所以我们通常只能生成静态的调用链，或者根据一定的规则（如深度优先）生成一个可能的调用序列图。但是用户可能希望看到的是从某个方法开始的所有可能调用的方法，以及这些方法又调用了哪些方法，形成一棵调用树。然而，时序图是展示交互顺序的，所以我们需要按调用顺序来画。但是，用户要求的是“方法调用时序图”，这通常是指动态执行时的顺序。然而，我们通过静态分析只能得到调用关系（即谁调用了谁），而不能得到具体的执行顺序（因为分支、循环等会导致不同的路径）。因此，我们通常有两种做法：-生成静态的调用关系图（不是时序图），展示方法之间的调用关系（如树状或图状）。-或者，我们假设一条执行路径（例如，按照代码顺序，遇到分支取第一个分支），生成一个假设的时序图。根据引用内容，我们已经有方法调用依赖（即每个方法内部调用了哪些方法），我们可以生成一个调用树，然后按照深度优先或广度优先遍历生成一个序列。但是注意，这只是一个可能的序列，并不代表实际运行。8.生成js-sequence-diagrams的语法：我们需要为每个方法调用生成一行：调用者->被调用者:方法名但是，调用者和被调用者都是方法，在时序图中，参与者（participant）应该是对象或类。这里我们可以将每个方法所属的类作为参与者。但同一个类的方法调用，参与者是同一个类。这样画时序图可能不太直观，因为同一个类的方法调用会显示为同一个参与者给自己发消息。9.另一种思路：将每个方法调用视为一个事件，参与者是调用方法的对象（但静态分析中我们不知道对象，所以用类代替）。我们可以这样：对于方法A中的调用：调用B类的方法，那么参与者就是A所在的类和B所在的类。10.步骤：a.解析类文件，构建全局方法调用图。b.从指定的入口方法开始，进行遍历（深度优先），生成调用序列。注意避免循环调用导致的无限递归（需要记录访问过的方法）。c.在遍历过程中，为每个方法调用生成一行序列图代码。11.但是，静态分析无法确定调用哪个重载方法（因为描述符可以确定）和多态方法（需要知道实际类型，但静态分析只能看到声明类型）。因此，我们只能根据字节码中出现的指令来确定。12.具体实现：使用ASM的ClassVisitor和MethodVisitor来解析类。全局存储：Map<String,MethodInfo>methodMap，键可以用方法的唯一标识（如类名+方法名+描述符）。步骤：-遍历所有需要分析的类（用户指定类路径）-对每个类，使用ClassReader解析，并实现ClassVisitor，在visitMethod时创建MethodVisitor-在MethodVisitor中，覆盖visitMethodInsn方法，当遇到方法调用指令时，记录当前方法（正在访问的方法）和调用的目标方法。-将目标方法的信息（owner,name,desc）转换为标准形式（类名用.分隔，处理内部类等），并创建或获取MethodInfo对象，然后添加到当前方法的调用列表中。13.生成时序图文本：假设入口方法是"com.example.Main.main"。我们使用深度优先遍历（DFS）：functiongenerateSequence(method,depth):如果该方法已经访问过，则跳过（避免循环）否则，标记为已访问对于该方法调用的每个方法（按代码顺序，但ASM访问顺序就是代码顺序）：生成一行：当前方法所在类->被调用方法所在类:被调用方法名然后递归调用generateSequence(被调用方法,depth+1)但是，这样生成的时序图可能很长（因为递归所有调用），而且同一个方法可能在多个地方被调用，导致重复。我们可以选择不重复展示同一个方法的内部调用（即每个方法只展开一次），但这样会丢失调用上下文。14.另一种方式是生成调用树，然后按树的前序遍历生成序列。但是时序图要求有返回（通常用虚线箭头表示返回），但我们这里没有记录返回，所以可以省略返回，或者在每个方法调用结束后自动返回（用虚线箭头）。但是我们的静态分析无法知道方法何时返回。15.考虑到复杂性，我们可能只生成一层调用（即入口方法调用了哪些方法，然后这些方法又调用了哪些方法，但不展开多次调用同一个方法），或者生成一个调用链，但限制深度。16.由于用户要求使用js-sequence-diagrams，我们可以生成如下格式的文本：participantMainparticipantServiceMain->Service:callmethod1Service-->Main:return//可选，如果不生成返回则省略Main->Service:callmethod2但是，我们无法确定返回点，所以通常不生成返回线。因此，我们可以只生成调用线。17.具体代码步骤：步骤1：使用ASM解析类，构建方法调用图。步骤2：从入口方法开始，进行深度优先遍历（限制深度避免过深），生成序列图文本。18.注意：同一个类中的方法调用，参与者是同一个类。我们需要为每个类创建一个participant（但只需在第一次出现时创建）。19.实现：我们首先需要解析所有相关的类，构建完整的方法调用图。然后，从入口方法开始遍历。伪代码：Map<String,MethodInfo>methodMap=newHashMap<>();//全局方法映射Set<String>visitedMethods=newHashSet<>();//用于DFS避免重复//第一步：解析类for(每个类文件){ClassReaderreader=newClassReader(字节码);ClassVisitorcv=newClassVisitor(ASM7){@OverridepublicMethodVisitorvisitMethod(intaccess,Stringname,Stringdescriptor,Stringsignature,String[]exceptions){//创建当前方法的MethodInfo对象StringclassName=当前类名（用点分隔）;MethodInfomethodInfo=newMethodInfo(className,name,descriptor);methodMap.put(方法唯一标识,methodInfo);//唯一标识可以用className+"#"+name+descriptor，或者用MethodInfo中的getClasz()和getMethod()组合returnnewMethodVisitor(ASM7){@OverridepublicvoidvisitMethodInsn(intopcode,Stringowner,Stringname,Stringdescriptor,booleanisInterface){//解析被调用方法StringownerClassName=owner.replace('/','.');//将内部类分隔符也转换了，内部类在字节码中是com/example/Foo$Bar，转换后是com.example.Foo$Bar//注意：数组类型？但方法调用指令的owner是类或接口，所以不会是数组类型（数组没有方法，除了从Object继承的）MethodInfocallee=methodMap.computeIfAbsent(ownerClassName+"#"+name+descriptor,k->newMethodInfo(ownerClassName,name,descriptor));//将callee添加到当前方法（methodInfo）的调用列表中methodInfo.addInvoke(callee);}};}};reader.accept(cv,0);}注意：这里我们假设在遍历方法体之前，已经将当前方法加入methodMap。另外，被调用方法可能还没有被解析（因为类加载顺序），所以需要computeIfAbsent。第二步：生成序列图StringBuildersb=newStringBuilder();Set<String>participants=newHashSet<>();//记录已经添加的参与者Set<String>visited=newHashSet<>();//记录已访问的方法（防止循环）//从入口方法开始MethodInfoentry=methodMap.get(入口方法的唯一标识);if(entry!=null){generateSequence(entry,participants,visited,sb,0);}//生成participant声明StringBuilderparticipantLines=newStringBuilder();for(Stringp:participants){participantLines.append("participant").append(p).append("\n");}Stringresult=participantLines.toString()+sb.toString();//递归函数voidgenerateSequence(MethodInfomethod,Set<String>participants,Set<String>visited,StringBuildersb,intdepth){//如果已经访问过，则返回（避免循环）StringmethodId=method.getUniqueId();//需要为MethodInfo定义一个唯一标识方法，如：cname+"#"+mname+descripterif(visited.contains(methodId)){return;}visited.add(methodId);//当前方法所属的类StringcurrentClass=method.getClasz();//或者直接用cname，但getClasz()返回的是Type转换后的类名（带包的）//将当前类加入participants（如果还没有）if(!participants.contains(currentClass)){participants.add(currentClass);}//遍历该方法调用的所有方法for(MethodInfocallee:method.getInvoke()){StringcalleeClass=callee.getClasz();if(!participants.contains(calleeClass)){participants.add(calleeClass);}//生成一行：当前类->被调用类:被调用方法名（可以简化为方法名，或者加上参数？）StringcallLine=currentClass+"->"+calleeClass+":"+callee.mname+"\\n";sb.append(callLine);//递归生成被调用方法的内部调用generateSequence(callee,participants,visited,sb,depth+1);}}20.问题：深度优先遍历会导致调用顺序是深度优先的，而实际代码顺序可能是不同的。我们可以在MethodInfo中存储调用列表时保持顺序（按访问顺序），然后按顺序遍历。21.但这样生成的图可能会很长，尤其是递归调用。我们可以设置最大深度。22.另外，我们忽略了同一个方法内多次调用同一个方法的情况，这里会重复生成。但因为我们记录了visited，所以同一个方法只展开一次。这可能导致调用图不是完整的调用树，而是每个方法只展开一次。这样生成的时序图会缺少重复调用的表示。23.另一种选择：不记录visited，这样会无限递归（如果有循环调用）。所以我们需要一个机制来避免循环（比如用一个调用栈，如果当前方法已经在栈中，则跳过）。或者我们限制递归深度。24.考虑到实用性，我们可以不展开递归，而是每个方法调用只显示一次，但这样会丢失多次调用的信息。或者我们记录调用次数，但时序图无法表示多次调用（除非我们生成多条线）。25.由于静态分析生成时序图的复杂性，我们通常只生成一层调用（即入口方法直接调用的方法）并展示，然后允许用户点击展开。但这里我们是一次性生成文本。26.因此，我们可以提供两种模式：-只生成直接调用（不展开）-或者展开到指定深度27.我们这里先实现展开到指定深度（比如3层）。修改递归函数，增加一个maxDepth参数，当前深度超过maxDepth则停止。28.最后，将生成的文本传递给js-sequence-diagrams（如Mermaid）进行渲染。29.注意：上面的伪代码中，我们为每个方法调用生成一行，但是同一个方法内调用多个方法，这些调用是顺序的，所以按顺序生成即可。30.关于方法名：我们只用了mname，但可能方法重载，所以最好加上参数类型。我们可以用MethodInfo中的getMethod()方法，它返回"方法名#(参数类型列表)返回值类型"，但我们只需要方法名和参数类型。我们可以修改为只显示方法名和参数类型，例如：methodName(arg1Type,arg2Type)31.在生成调用线时，我们可以这样：callLine:currentClass+"->"+calleeClass+":"+callee.getMethodDisplayName()其中，getMethodDisplayName()可以定义为：publicStringgetMethodDisplayName(){Type[]argTypes=Type.getArgumentTypes(descripter);StringBuildersb=newStringBuilder();Stringsplit="";for(TypeargType:argTypes){sb.append(split).append(argType.getClassName());split=",";}returnmname+"("+sb.toString()+")";}32.开始编写代码，注意我们只需要解析用户指定的类（可能是一个或多个），然后从指定的入口方法开始。33.由于用户要求生成时序图，我们最终输出的是一个字符串，符合js-sequence-diagrams语法（或者Mermaid的序列图语法，因为js-sequence-diagrams已经不维护了，现在常用Mermaid）。Mermaid的序列图语法类似：sequenceDiagramparticipantMainparticipantServiceMain->>Service:callmethod1Service-->>Main:response但注意，我们这里不生成返回线（因为静态分析不知道返回点）。所以只生成实线箭头（->>表示实线箭头，带箭头）。34.修改生成代码：participantLines:每行前面加4个空格（如果整体缩进）？但Mermaid不需要缩进。callLine:用"A->>B:message"的形式。35.所以，我们生成的文本开头是"sequenceDiagram"，然后换行，接着是participant声明，然后是调用线。36.修改生成代码：StringBuilderdiagram=newStringBuilder();diagram.append("sequenceDiagram\n");//生成participantfor(Stringp:participants){diagram.append("participant").append(p).append("\n");}diagram.append(sb);//这里sb是调用线的StringBuilder，每行前面有4个空格而我们在生成调用线时，每行应该是：四个空格+调用语句例如：Main->>Service:method137.箭头选择：我们使用->>表示同步调用（实线箭头），因为方法调用通常是同步的。返回线我们暂时不生成。38.修改调用线的生成：StringcallLine=""+currentClass+"->>"+calleeClass+":"+callee.getMethodDisplayName()+"\n";39.注意：类名可能很长，我们可以选择用短类名（不带包），但这样可能冲突。所以还是用全类名，或者用户可以自己处理。40.完整代码示例（简化版）：由于代码较长，这里给出关键部分。41.我们还需要考虑如何指定入口方法。用户可以在调用时传入入口方法的全限定名（类名+方法名+描述符）或者通过其他方式。42.最后，将生成的Mermaid代码返回给用户，用户可以在支持Mermaid的地方渲染。43.注意：ASM的版本，我们使用ASM7。44.编写具体代码，并处理异常情况（如类找不到等）。由于篇幅，这里不写完整代码，但给出关键步骤。45.相关问题：-如何处理内部类？答：在字节码中，内部类的类名是“外部类$内部类”的形式，我们只需要将'/'替换为'.'，这样在Mermaid中显示正常。-如何处理匿名内部类？答：同样，匿名内部类在字节码中会有数字，例如“外部类$1”，我们同样替换。-如何避免重复解析同一个类？答：在解析多个类时，我们可以记录已经解析过的类，避免重复解析。46.总结：我们使用ASM解析类文件，构建方法调用图，然后从入口方法开始生成Mermaid序列图代码（只生成调用线，不生成返回线，并限制深度避免无限递归）。47.下面是一个简化的实现示例（仅用于演示，可能需要完善）：</think>### 使用 ASM 解析 Java 字节码生成方法调用时序图 #### 核心步骤解析 1. **ASM 字节码解析基础** - ASM 通过 `ClassVisitor` 和 `MethodVisitor` 访问类结构 - 关键 API： - `ClassReader`：读取 .class 文件 - `ClassVisitor#visitMethod`：访问类中的方法 - `MethodVisitor#visitMethodInsn`：处理方法调用指令 - 示例解析流程： ```java ClassReader reader = new ClassReader(input); ClassVisitor cv = new TraceClassVisitor(); reader.accept(cv, 0); ``` 2. **构建方法调用关系模型** - 扩展引用中的 `MethodInfo` 类： ```java public class MethodInfo { String className; // 类全限定名（如：org.example.Foo） String methodName; // 方法名 String descriptor; // 方法描述符（如：(I)V） List<MethodInfo> callees = new ArrayList<>(); // 被调用的方法 // 生成唯一标识（用于去重） String getSignature() { return className + "#" + methodName + descriptor; } } ``` 3. **捕获方法调用关系** - 自定义 `MethodVisitor` 实现： ```java class CallGraphVisitor extends MethodVisitor { private final MethodInfo currentMethod; private final Map<String, MethodInfo> methodMap; @Override public void visitMethodInsn(int opcode, String owner, String name, String desc, boolean itf) { // 转换类名格式：org/example/Foo → org.example.Foo String className = owner.replace('/', '.'); // 获取或创建被调用方法对象 String signature = className + "#" + name + desc; MethodInfo callee = methodMap.computeIfAbsent(signature, k -> new MethodInfo(className, name, desc)); // 添加到当前方法的调用列表 currentMethod.callees.add(callee); } } ``` 4. **生成 js-sequence-diagrams 语法** - 时序图语法示例： ``` participant A participant B A->B: methodCall() ``` - 递归遍历方法调用树： ```java void generateSequence(MethodInfo method, Set<String> visited, StringBuilder output) { String callerId = method.className; for (MethodInfo callee : method.callees) { String calleeId = callee.className; // 声明参与者（仅首次出现时添加） if (!visited.contains(callerId)) { output.append("participant ").append(callerId).append("\n"); visited.add(callerId); } // 生成调用语句 output.append(callerId) .append("->") .append(calleeId) .append(": ") .append(callee.methodName) .append("\n"); // 递归处理（限制深度避免死循环） if (!visited.contains(callee.getSignature())) { generateSequence(callee, visited, output); } } } ``` #### 完整工作流程 1. **初始化全局存储** ```java Map<String, MethodInfo> methodMap = new HashMap<>(); Set<String> visitedSignatures = new HashSet<>(); ``` 2. **解析目标类** ```java public void parseClass(byte[] bytecode) { ClassReader cr = new ClassReader(bytecode); cr.accept(new ClassVisitor(Opcodes.ASM9) { @Override public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String sig, String[] ex) { MethodInfo mi = new MethodInfo( cr.getClassName().replace('/', '.'), name, desc ); methodMap.put(mi.getSignature(), mi); return new CallGraphVisitor(mi, methodMap); } }, 0); } ``` 3. **生成时序图** ```java public String generateDiagram(String entryMethodSignature) { StringBuilder diagram = new StringBuilder("sequenceDiagram\n"); MethodInfo entry = methodMap.get(entryMethodSignature); generateSequence(entry, new HashSet<>(), diagram); return diagram.toString(); } ``` 4. **渲染输出** - 将生成的文本粘贴到 js-sequence-diagrams 渲染器 - 在线工具示例：[https://bramp.github.io/js-sequence-diagrams/](https://bramp.github.io/js-sequence-diagrams/) > **注意事项** > 1. 需要处理递归调用：通过 `visitedSignatures` 避免无限循环 > 2. 类名转换：字节码中使用 `/` 分隔包名，需替换为 `.` > 3. 入口方法指定：需完整签名如 `com.example.Main#main([Ljava/lang/String;)V` > 4. 过滤系统方法：可跳过 `java/` 开头的 JDK 方法 #### 示例输出 ```text sequenceDiagram participant com.example.Main participant com.example.Service com.example.Main->com.example.Service: processRequest participant com.example.Dao com.example.Service->com.example.Dao: queryData ```