识别java字节代码中的循环
我正在尝试检测java字节码。
我想要识别java循环的进入和退出 ，但我发现循环的识别非常具有挑战性。 我花了几个小时看ASM和开源反编译器 （我认为他们必须一直解决这个问题）但是，我做得很短。
我正在扩充/扩展的工具是使用ASM，所以理想情况下我想知道如何通过ASM检测java中不同循环结构的进入和退出 。 但是，我也欢迎建议一个好的开源解编译器，因为很明显他们会解决同样的问题。
编辑4 ：一点背景/序言。
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“ 在代码中向后跳的唯一方法是通过一个循环。 ”在Peter的回答中并不完全正确。 你可以在没有它的情况下来回跳跃意味着它是一个循环。 一个简化的案例是这样的：
0: goto 2 1: goto 3 2: goto 1当然，这个特殊的例子非常人为，有点傻。 但是，假设源到字节码编译器将如何表现可能会导致意外。 正如彼得和我在各自的答案中所表明的那样，两个流行的编译器可以产生相当不同的输出（即使没有混淆）。 它很少重要，因为当您执行代码时，所有这些都会被JIT编译器很好地优化。 话虽如此，在绝大多数情况下，向后跳跃将是一个关于循环开始位置的合理指示。 与其余部分相比，找出循环的切入点是“简单”部分。
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在考虑任何循环启动/退出检测之前，您应该查看入口，出口和后继的定义。 虽然循环只有一个入口点，但它可能有多个出口点和/或多个后继者，通常由
break语句（有时带有标签），return语句和/或exception（明确捕获或未捕获）引起。 虽然您没有提供有关您正在调查的仪器类型的详细信息，但是当然您还需要考虑插入代码的位置（如果这是您想要做的）。 通常，某些检测可能必须在每个退出语句之前完成，或者代替每个后继语句（在这种情况下，您必须移动原始语句）。
Soot是一个很好的框架来做到这一点。 它有许多中间表示，使字节码分析更方便（例如Jimple）。
您可以根据方法体构建BlockGraph ，例如ExceptionalBlockGraph 。 一旦您将控制流图分解为这样的块图，从节点中，您应该能够识别支配者（即具有箭头的块返回它们）。 这将为您提供循环的开始。
您可以在本文的第4.3至4.7节中找到类似的内容 。
编辑：
与@Peter讨论后，他的回答是评论。 说同样的例子：
public int foo(int i, int j) { while (true) { try { while (i < j) i = j++ / i; } catch (RuntimeException re) { i = 10; continue; } break; } return j; }
这一次，使用Eclipse编译器编译（没有特定选项：只需从IDE中自动编译）。 这段代码没有被混淆（除了代码不好，但这是另一回事）。 结果如下（来自javap -c ）：
public int foo(int, int); Code: 0: goto 10 3: iload_2 4: iinc 2, 1 7: iload_1 8: idiv 9: istore_1 10: iload_1 11: iload_2 12: if_icmplt 3 15: goto 25 18: astore_3 19: bipush 10 21: istore_1 22: goto 10 25: iload_2 26: ireturn Exception table: from to target type 0 15 18 Class java/lang/RuntimeException
有一个介于3和12之间的循环（从10开始跳转）和另一个循环，因为从8到22的除零发生exception。与javac编译器结果不同，可以猜测是否存在在0到22之间的外部循环和0到12之间的内部循环，这里的嵌套不太明显。
编辑2：
用一个不那么尴尬的例子来说明你可能遇到的问题。 这是一个相对简单的循环：
public void foo2() { for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println(i); } }
在Eclipse中进行（正常）编译之后， javap -c给出了：
public void foo2(); Code: 0: iconst_0 1: istore_1 2: goto 15 5: getstatic #25; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 8: iload_1 9: invokevirtual #31; //Method java/io/PrintStream.println:(I)V 12: iinc 1, 1 15: iload_1 16: iconst_5 17: if_icmplt 5 20: return
在循环中执行任何操作之前，直接从2跳到15.块15到17是循环的标题（“入口点”）。 有时，标头块可能包含更多指令，特别是如果退出条件涉及更多评估，或者它是do {} while()循环。 循环的“入口”和“退出”的概念可能并不总是反映出您作为Java源代码明智地编写的内容（例如，您可以将循环重写for while循环的事实）。 使用break还可以导致多个退出点。
顺便说一句，通过“块”，我的意思是一个字节码序列，你不能跳到其中，你不能跳到中间：它们只是从第一行输入（不一定是从前一行输入）线，可能来自其他地方的跳跃）并从最后一个退出（不一定到下一行，它也可以跳到其他地方）。
编辑3：
自从我上次看到Soot以来，似乎已经添加了用于分析循环的新类/方法，这使得它更方便。
这是一个完整的例子。
要分析的类/方法（ TestLoop.foo() ）
public class TestLoop { public void foo() { for (int j = 0; j < 2; j++) { for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println(i); } } } }
当由Eclipse编译器编译时，这将生成此字节码（ javap -c ）：
public void foo(); Code: 0: iconst_0 1: istore_1 2: goto 28 5: iconst_0 6: istore_2 7: goto 20 10: getstatic #25; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 13: iload_2 14: invokevirtual #31; //Method java/io/PrintStream.println:(I)V 17: iinc 2, 1 20: iload_2 21: iconst_5 22: if_icmplt 10 25: iinc 1, 1 28: iload_1 29: iconst_2 30: if_icmplt 5 33: return
这是一个程序，使用Soot加载类（假设它在类路径上）并显示其块和循环：
import soot.Body; import soot.Scene; import soot.SootClass; import soot.SootMethod; import soot.jimple.toolkits.annotation.logic.Loop; import soot.toolkits.graph.Block; import soot.toolkits.graph.BlockGraph; import soot.toolkits.graph.ExceptionalBlockGraph; import soot.toolkits.graph.LoopNestTree; public class DisplayLoops { public static void main(String[] args) throws Exception { SootClass sootClass = Scene.v().loadClassAndSupport("TestLoop"); sootClass.setApplicationClass(); Body body = null; for (SootMethod method : sootClass.getMethods()) { if (method.getName().equals("foo")) { if (method.isConcrete()) { body = method.retrieveActiveBody(); break; } } } System.out.println("**** Body ****"); System.out.println(body); System.out.println(); System.out.println("**** Blocks ****"); BlockGraph blockGraph = new ExceptionalBlockGraph(body); for (Block block : blockGraph.getBlocks()) { System.out.println(block); } System.out.println(); System.out.println("**** Loops ****"); LoopNestTree loopNestTree = new LoopNestTree(body); for (Loop loop : loopNestTree) { System.out.println("Found a loop with head: " + loop.getHead()); } } }
有关如何加载类的更多详细信息，请查看Soot文档。 Body是循环体的模型，即从字节码生成的所有语句。 这使用了中间的Jimple表示，它相当于字节码，但更容易分析和处理。
这是该程序的输出：
身体：
public void foo() { TestLoop r0; int i0, i1; java.io.PrintStream $r1; r0 := @this: TestLoop; i0 = 0; goto label3; label0: i1 = 0; goto label2; label1: $r1 = ; virtualinvoke $r1.(i1); i1 = i1 + 1; label2: if i1 < 5 goto label1; i0 = i0 + 1; label3: if i0 < 2 goto label0; return; }
块：
Block 0: [preds: ] [succs: 5 ] r0 := @this: TestLoop; i0 = 0; goto [?= (branch)]; Block 1: [preds: 5 ] [succs: 3 ] i1 = 0; goto [?= (branch)]; Block 2: [preds: 3 ] [succs: 3 ] $r1 = ; virtualinvoke $r1.(i1); i1 = i1 + 1; Block 3: [preds: 1 2 ] [succs: 4 2 ] if i1 < 5 goto $r1 = ; Block 4: [preds: 3 ] [succs: 5 ] i0 = i0 + 1; Block 5: [preds: 0 4 ] [succs: 6 1 ] if i0 < 2 goto i1 = 0; Block 6: [preds: 5 ] [succs: ] return;
循环：
Found a loop with head: if i1 < 5 goto $r1 = Found a loop with head: if i0 < 2 goto i1 = 0
LoopNestTree使用LoopFinder ，它使用ExceptionalBlockGraph来构建块列表。 Loop类将为您提供entry语句和exit语句。 如果您愿意，您应该能够添加额外的声明。 Jimple非常方便（它与字节码足够接近，但有一个稍高的级别，以免手动处理所有内容）。 然后，您可以根据需要输出修改后的.class文件。 （有关此内容，请参阅Soot文档。）
在代码中向后跳转的唯一方法是通过循环。 所以你正在寻找转到前一个字节代码指令的goto，if_icmplt等。 一旦找到循环结束并且它跳回到的位置就是循环的开始。
这是一个复杂的例子，来自Bruno建议的文件。
public int foo(int i, int j) { while (true) { try { while (i < j) i = j++ / i; } catch (RuntimeException re) { i = 10; continue; } break; } return j; }
这个字节码出现在javap -c as中
public int foo(int, int); Code: 0: iload_1 1: iload_2 2: if_icmpge 15 5: iload_2 6: iinc 2, 1 9: iload_1 10: idiv 11: istore_1 12: goto 0 15: goto 25 18: astore_3 19: bipush 10 21: istore_1 22: goto 0 25: iload_2 26: ireturn Exception table: from to target type 0 15 18 Class java/lang/RuntimeException
你可以看到0到12之间有一个内部循环，0到15之间有一个try / catch块，0到22之间有一个外部循环。
你实际上是逐字节构建你的类吗？ 多奇怪啊！ ASM的首页链接到Eclipse的Bytecode Outline插件，我假设您正在使用它。 如果你点击那里的第一个图像，你会发现代码有一个while循环，你可以看到至少一些用于实现该循环的字节代码。 这里的参考是截图：
直接链接
看起来像循环只是作为带有边界检查的GOTO实现。 我在谈论这一行：
L2 (173) GOTO L3
我确定L3标记具有用于检查索引边界的代码，并且决定了JMP。 我想如果你想一次循环一个字节代码，这对你来说会很困难。 ASM可以选择使用模板类作为仪器的基础，您尝试过使用它吗？