Java| 编译和反编译

什么是编程语言?

在介绍编译和反编译之前，我们先来简单介绍下编程语言（Programming Language）。编程语言（Programming Language）分为低级语言（Low-level Language）和高级语言（High-level Language）。
机器语言（Machine Language）和汇编语言（Assembly Language）属于低级语言，直接用计算机指令编写程序。
而C、C++、Java、Python等属于高级语言，用语句（Statement）编写程序，语句是计算机指令的抽象表示。

什么是编译?

上面提到语言有两种，一种低级语言，一种高级语言。简单的理解：低级语言是计算机认识的语言、高级语言是程序员认识的语言。
那么如何从高级语言转换成低级语言呢？这个过程其实就是编译。

将便于人编写、阅读、维护的高级计算机语言所写作的源代码程序，翻译为计算机能解读、运行的低阶机器语言的程序的过程就是编译。负责这一过程的处理的工具叫做编译器

现在我们知道了什么是编译，也知道了什么是编译器。不同的语言都有自己的编译器，Java语言中负责编译的编译器是一个命令：javac

当我们写完一个HelloWorld.java文件后，我们可以使用javac HelloWorld.java命令来生成HelloWorld.class文件，这个class类型的文件是JVM可以识别的文件。通常我们认为这个过程叫做Java语言的编译。其实，class文件仍然不是机器能够识别的语言，因为机器只能识别机器语言，还需要JVM再将这种class文件类型字节码转换成机器可以识别的机器语言。

javac是收录于JDK中的Java语言编译器。该工具可以将后缀名为.java的源文件编译为后缀名为.class的可以运行于Java虚拟机的字节码。

什么是反编译?

反编译的过程与编译刚好相反，就是将已编译好的编程语言还原到未编译的状态，也就是找出程序语言的源代码。就是将机器看得懂的语言转换成程序员可以看得懂的语言。Java语言中的反编译一般指将class文件转换成java文件。

有了反编译工具，我们可以做很多事情，最主要的功能就是有了反编译工具，我们就能读得懂Java编译器生成的字节码。比如我们就可以洞悉Java语法糖背后的原理。

Java常用反编译工具

本文主要介绍4个Java的反编译工具：javap、jad和cfr以及可视化反编译工具JD-GUI

JAVAP

javap是jdk自带的一个工具，可以对代码反编译，也可以查看java编译器生成的字节码。javap和其他两个反编译工具最大的区别是他生成的文件并不是java文件，也不像其他两个工具生成代码那样更容易理解。拿一段简单的代码举例，如我们想分析Java 7中的switch是如何支持String的，我们先有以下可以编译通过的源代码：

public class switchDemoString {public static void main(String[] args) {String str = "world";switch (str) {case "hello":System.out.println("hello");break;case "world":System.out.println("world");break;default:break;}}
}

执行以下两个命令：

javac Decompilation.java
javap -c Decompilation.class

生成代码如下：

Compiled from "Decompilation.java"
public class Decompilation {public Decompilation();Code:0: aload_01: invokespecial #8                  // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnpublic static void main(java.lang.String[]);Code:0: ldc           #16                 // String world2: astore_13: aload_14: dup5: astore_26: invokevirtual #18                 // Method java/lang/String.hashCode:()I9: lookupswitch  { // 299162322: 36113318802: 48default: 82}36: aload_237: ldc           #24                 // String hello39: invokevirtual #26                 // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z42: ifne          6045: goto          8248: aload_249: ldc           #16                 // String world51: invokevirtual #26                 // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z54: ifne          7157: goto          8260: getstatic     #30                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;63: ldc           #24                 // String hello65: invokevirtual #36                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V68: goto          8271: getstatic     #30                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;74: ldc           #16                 // String world76: invokevirtual #36                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V79: goto          8282: return
}

javap并没有将字节码反编译成java文件，而是生成了一种我们可以看得懂字节码。其实javap生成的文件仍然是字节码，只是程序员可以稍微看得懂一些。如果你对字节码有所掌握，还是可以看得懂以上的代码的。其实就是把String转成hashcode，然后进行比较。

个人认为，一般情况下我们会用到javap命令的时候不多，一般只有在真的需要看字节码的时候才会用到。但是字节码中间暴露的东西是最全的，你肯定有机会用到，比如我在分析synchronized的原理的时候就有是用到javap。通过javap生成的字节码，我发现synchronized底层依赖了ACC_SYNCHRONIZED标记和monitorenter、monitorexit两个指令来实现同步。

JAD

JAD是一个比较不错的反编译工具，只要下载一个执行工具，就可以实现对class文件的反编译了。还是上面的源代码，使用jad反编译后内容如下：

命令：jad.exe Decompilation.class 会生成一个Decompilation.jad的文件

JAD反编译的结果如下:

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   Decompilation.javapackage com.yveshe;import java.io.PrintStream;public class Decompilation
{public Decompilation(){}public static void main(String args[]){String str = "world";String s;switch((s = str).hashCode()){default:break;case 99162322: if(s.equals("hello"))System.out.println("hello");break;case 113318802: if(s.equals("world"))System.out.println("world");break;}}
}

看上面的代码这不就是标准的java的源代码么。这个就很清楚的可以看到原来字符串的switch是通过equals()和hashCode()方法来实现的。

PS: 但是，由于JAD已经很久不更新了，在对Java7生成的字节码进行反编译时，偶尔会出现不支持的问题，在对Java 8的lambda表达式反编译时就彻底失败。

CFR

JAD很好用，但是无奈的是很久没更新了，所以只能用一款新的工具替代他，CFR是一个不错的选择，相比JAD来说，他的语法可能会稍微复杂一些，但是好在他可以用.

CFR将反编译现代Java特性–Java 8 lambdas（Java和更早版本中的Java beta 103），已经反编译Java 7 String，但CFR是完全用Java 6编写的.

我们使用CFR对刚刚的代码进行反编译。执行一下命令：
java -jar cfr_0_125.jar Decompilation.class --decodestringswitch false
得到以下错误的结果(死活是反编译失败~)

/** Decompiled with CFR 0_125.*/
package com.yveshe;public class Decompilation {/** Exception decompiling*/public static void main(String[] args) {// This method has failed to decompile.  When submitting a bug report, please provide this stack trace, and (if you hold appropriate legal rights) the relevant class file.// org.benf.cfr.reader.util.CannotPerformDecode: reachable test BLOCK was exited and re-entered.// org.benf.cfr.reader.bytecode.analysis.opgraph.op3rewriters.Misc.getFarthestReachableInRange(Misc.java:143)// org.benf.cfr.reader.bytecode.analysis.opgraph.op3rewriters.SwitchReplacer.examineSwitchContiguity(SwitchReplacer.java:385)// org.benf.cfr.reader.bytecode.analysis.opgraph.op3rewriters.SwitchReplacer.replaceRawSwitches(SwitchReplacer.java:65)// org.benf.cfr.reader.bytecode.CodeAnalyser.getAnalysisInner(CodeAnalyser.java:394)// org.benf.cfr.reader.bytecode.CodeAnalyser.getAnalysisOrWrapFail(CodeAnalyser.java:191)// org.benf.cfr.reader.bytecode.CodeAnalyser.getAnalysis(CodeAnalyser.java:136)// org.benf.cfr.reader.entities.attributes.AttributeCode.analyse(AttributeCode.java:95)// org.benf.cfr.reader.entities.Method.analyse(Method.java:369)// org.benf.cfr.reader.entities.ClassFile.analyseMid(ClassFile.java:770)// org.benf.cfr.reader.entities.ClassFile.analyseTop(ClassFile.java:702)// org.benf.cfr.reader.Main.doClass(Main.java:46)// org.benf.cfr.reader.Main.main(Main.java:191)throw new IllegalStateException("Decompilation failed");}
}

中间出了一个小插曲,就是始终反编译失败,由于博主偷懒每次都是用的Eclipse的自动编译生成的class文件,没有通过javac命令你来生成class文件,导致之前存在问题的java文件编译成了class文件而一直么有更新…害死人啊,建议大家手动通过javac Decompilation.java命令来编译生成Decompilation.class文件,再做测试.

成功的反编译结果如下:

/** Decompiled with CFR 0_125.*/
package com.yveshe;import java.io.PrintStream;public class Decompilation {public static void main(String[] args) {String str;String s = str = "world";switch (s.hashCode()) {default: {break;}case 99162322: {if (!s.equals("hello")) break;System.out.println("hello");break;}case 113318802: {if (!s.equals("world")) break;System.out.println("world");}}}
}

相比Jad来说，CFR有很多参数，还是刚刚的代码，如果我们使用以下命令，输出结果就会不同：
E:\CRF>java -jar cfr_0_125.jar Decompilation.class

/** Decompiled with CFR 0_125.*/
package com.yveshe;import java.io.PrintStream;public class Decompilation {public static void main(String[] args) {String str;String s = str = "world";switch (s.hashCode()) {default: {break;}case 99162322: {if (!s.equals("hello")) break;System.out.println("hello");break;}case 113318802: {if (!s.equals("world")) break;System.out.println("world");}}}
}

--decodestringswitch表示对于switch支持string的细节进行解码。

类似的还有--decodeenumswitch、--decodefinally、--decodelambdas等。

--decodelambdas可以对lambda表达式进行反编译。

CFR还有很多其他参数，均用于不同场景，读者可以使用java -jar cfr_0_125.jar --help进行了解。这里不逐一介绍了。

JD-GUI

JD-GUI 是一个用 C++ 开发的 Java反编译工具，由 Pavel Kouznetsov开发，支持Windows、Linux和苹果Mac Os三个平台。而且提供了Eclipse平台下的插件JD-Eclipse。JD-GUI 基于GPLv3开源协议，对个人使用是完全免费的。JD-GUI主要的是提供了可视化操作,直接拖拽文件到窗口既可,效果图如下

JadClipse

在Eclipse中安装Jad插件,注意这里是安装的是Jad插件不是Jd插件~
所需要资源: net.sf.jadclipse_3.3.0.jar插件jar和JAD.exe反编译软件(在文末有下载地址)

JadClipse下载地址在官网下载插件的jar包，然后将jar包放到eclipse的plugins目录下;在打开Eclipse，Eclipse->Window->Preferences->Java，此时你会发现会比原来多了一个JadClipse的选项如下图配置JadClipse:

基本配置完毕后，我们可以设置一下class文件的默认打开方式:

Eclipse->Window->Preferences->General->Editors->File Associations 我们可以看到class文件的打开方式有两个，这里设置JadClipse和Eclipse自带的Class File Viewer，而JadClipse是默认的。全部配置完成，下面我们可以查看源码了，选择需要查看的类，按F3即可查看源码.如果JadClipse不是默认设置,设置成默认设置既可.

PS: 该方式好像不能正常工作了(2019/4/2)更新,可以使用安装jd插件jd-eclipse-site-1.0.0-RC2.zip下载地址 http://jd.benow.ca/ ,参考Eclipse中安装SVN插件(离线安装)方式安装.

如何防止反编译?

由于我们有工具可以对Class文件进行反编译，所以，对开发人员来说，如何保护Java程序就变成了一个非常重要的挑战。但是，魔高一尺、道高一丈。当然有对应的技术可以应对反编译咯。但是，这里还是要说明一点，和网络安全的防护一样，无论做出多少努力，其实都只是提高攻击者的成本而已。无法彻底防治。
典型的应对策略有以下几种：
● 隔离Java程序
○ 让用户接触不到你的Class文件
● 对Class文件进行加密
○ 提到破解难度
● 代码混淆
○ 将代码转换成功能上等价，但是难于阅读和理解的形式

比如: 用很复杂的算法加密 class文件，然后在虚拟机载入前调用解密程序。考虑使用jvmti,这样可以防止class loader被反编译导致加解密算法泄漏.