Jimple

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Jimple

Jimple IR

like Java, but simple -> Jimple

Jimple是Soot采用的中间表示形式IR，Soot是在IR的基础上进行程序分析的。

JVM字节码是基于栈的语言，不能直观地知道其操作码的意图，而模拟栈的执行相对困难；而Java源代码有着嵌套的结构，也不适合做程序分析。

Jimple IR 作为一种带类型的三地址码（typed 3 Address Code）结合了两者的优点：

局部变量，无栈操作，可读性比字节码强
this和形参有特殊的变量表示
只有简单语句，平坦结构非嵌套

三地址码：左边最多一个引用，右边最多两个引用

更多参考：

Jimple中签名（Signature）用于全局唯一表示一个类/方法/字段，在Soot中分别由SootClass、SootMethod、SootField表示，对应的签名分别为ClassType、MethodSignature、FieldSignature

Jimple Stmt

Branching Stmts

模拟语句间的条件/无条件跳转，CFG中有多个后继节点

JGotoStmt

无条件跳转到目标语句

label1:
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    if (i == 3) {
        break label1;
    }
}

{
    int i;
    i = 0;

  label1:
    if i >= 5 goto label3;
    if i != 3 goto label2;
    goto label3; 👈

  label2:
    i = i + 1;
    goto label1; 👈

  label3:
    return;
}

第8行和第12行的goto语句都是JGotoStmt的实例

JIfStmt

第一个后继节点为紧跟着的语句（条件为真），第二个后继节点为分支语句（条件为假）

if (x % 2 == 0) {
    return 1;
} else {
    return 0;
}

{
    int $stack1, x;
    
    x := @parameter0: int;
    $stack1 = x % 2;

    if $stack1 != 0 goto label1; 👈
    return 1;

  label1:
    return 0;
}

method.getBody().getStmts().stream()
    .filter(stmt -> stmt instanceof JIfStmt)
    .forEach(stmt -> System.out.println(
        stmt + "\n" +
        ((JIfStmt) stmt).getCondition() + "\n" +
        ((JIfStmt) stmt).getTargetStmts(method.getBody())
    ));

打印得到：

if $stack1 != 0
$stack1 != 0
[return 0]

getCondition获取条件表达式

getTargetStmts即为goto后面跟着的标签指向的语句。

JSwitchStmt

switch (x){
    case 1:
        x = 2;
        break;
    case 2:
        x = 4;
        break;
    default:
        x = 6;
        break;
}

{
    byte x#1, x#2, x#3;
    int x#0;

    x#0 := @parameter0: int;

    switch(x#0)  👈
    {
        case 1: goto label1;
        case 2: goto label2;
        default: goto label3;
    };

  label1:
    x#1 = 2;
    goto label4;

  label2:
    x#2 = 4;
    goto label4;

  label3:
    x#3 = 6;

  label4:
    return;
}

method.getBody().getStmts().stream()
    .filter(stmt -> stmt instanceof JSwitchStmt)
    .forEach(stmt -> System.out.println(
        stmt + "\n" +
        ((JSwitchStmt) stmt).getTargetStmts(method.getBody()) + "\n" +
        ((JSwitchStmt) stmt).getDefaultTarget(method.getBody())+"\n" +
        ((JSwitchStmt) stmt).getKey() + "\n" +
        ((JSwitchStmt) stmt).getValues()
    ));

switch(x#0) {     case 1:     case 2:     default:  }
[x#1 = 2, x#2 = 4, x#3 = 6]
Optional[x#3 = 6]
x#0
[1, 2]

getValues：case语句匹配的值（List<IntConstant>）

getKey：switch语句要匹配的目标（Immediate）

FallsThrough Stmts

这些语句只有一个后继节点

JInvokeStmt

转换控制流到另一个方法直到方法调用返回。

virtualinvoke、specialinvoke等

JAssignStmt

rhs（right hand-side）赋值给lhs（left hand-side）

lhs可以是变量、字段、数组的引用（LValue）

rhs可以是表达式（Expr）、变量（Local）、引用（Ref）、常量（Constant）（Value）

package org.example;
public class CFG {
    public static int KEY = 666;
    public static void foo(int x) {
        int counter = 3;
        counter = KEY + counter;
    }
}

{
    byte counter#0;
    int $stack2, counter#1, x;

    x := @parameter0: int;
    counter#0 = 3;   👈
    $stack2 = <org.example.CFG: int KEY>;  👈
    counter#1 = $stack2 + 3;  👈

    return;
}

getLeftOp和getRightOp用于获取lhs和rhs

JIdentityStmt

类似JAssignStmt，但是是处理一些隐式赋值

JParameterRef将形参赋值给变量，@parameter0: int表示第一个形参，类型为int
JCaughtExceptionRef将异常赋值给变量，如@caughtexception: java.lang.NullpointerException
JThisRef将this赋值给变量

JEnterMonitorStmt & JExitMonitorStmt

标记synchronized代码块的入口和出口

package org.example;
public class CFG {
    private int counter = 0;
    public void foo() {
        synchronized (this) {
            counter = counter + 1;
        }
    }
}

{
    int $stack3, $stack4;
    java.lang.Throwable $stack5, l2;
    org.example.CFG l1, this;

    this := @this: org.example.CFG;
    l1 = this;
    entermonitor this;  👈

  label1:
    $stack3 = this.<org.example.CFG: int counter>;
    $stack4 = $stack3 + 1;
    this.<org.example.CFG: int counter> = $stack4;
    exitmonitor this;   👈

  label2:
    goto label5;

  label3:
    $stack5 := @caughtexception;
    l2 = $stack5;
    exitmonitor this;   

  label4:
    throw $stack5;

  label5:
    return;

 catch java.lang.Throwable from label1 to label2 with label3;
 catch java.lang.Throwable from label3 to label4 with label3;
}

Other Stmts

JReturnStmt & JReturnVoidStmt

结束当前方法的控制流并返回一个值给调用者

JReturnStmt：return xxx;

JReturnVoidStmt：return;

JThrowStmt

如果抛出的异常没有被Trap捕捉，结束当前方法的执行，并跳转到异常处理器。

throw xxx;

Good Tip

很多SootUp的API都会返回Stmt接口，可以利用instanceof来判断它的子类

List<Stmt> stmts = ... ;
for( Stmt stms : stmts ){
    if(stmt instanceof JAssignStmt){
        // found a JAssignStmt
        Value rhsOp = ((JAssignStmt) stmt).getRightOp();
        ...
    }else if(stmt instanceof JInvokeStmt){
        // found a JInvokeStmt
        JInvokeStmt ivkStmt = ((JInvokeStmt) stmt);
        MethodSignature rhsOp = ivkStmt.getInvokeExpr().getMethodSignature();
        ...
    }else ...
}

但这会造成大量的if-else语句，总归不太优雅。

因此SootUp提供了另一种处理方式，实现一个AbstractStmtVisitor子类

List<Stmt> stmts = ...;
AbstractStmtVisitor visitor = new AbstractStmtVisitor<Integer>() {
    private int ifStmtsCounter = 0;
    @Override
    public void caseIfStmt(@Nonnull JIfStmt stmt) {
        ifStmtsCounter++;
        setResult(ifStmtCounter);
    }
};

for( Stmt stms : stmts ){
    stmt.accept(visitor);
}

int amountOfIfStmts = visitor.getResult();

Jimple Values

Immediate

立即数，包括Local（变量）和Constant（常量）

Local

Local是作用域在当前方法中的变量，可以通过JIdentityStmt或JAssignStmt将Value赋值给Local

Constant

表示实际的值，如一个具体的数字或字符串

常量通常赋值给Local或Ref（即lhs可能的情况）

Expr

表达式是一种能够被计算并返回值的语言结构

AbstracBinopExpr二元表达式
AbstracUnopExpr一元表达式
AbstractInvokeExpr调用表达式

Ref

JArrayRef

数组索引来引用

$arr[1] = 42;
$anotherLocal = arr[99];

JFieldRef

对SootField的引用

JStaticFieldRef：静态字段
JInstanceFieldRef：实例字段

IdentityRef

用于隐式赋值（JIdentityStmt）的引用

JThisRef
JCaughtExceptionRef
JParameterRef

Good Tip

和Stmts类似，很多SootUp的API返回Value接口，可以利用instanceof判断它的子类

Value op = assignStmt.getRightOp();
if(op instanceof Local){
    // found a Local
    ...
}else if(stmt instanceof Constant){
    // found a Constant
    ...
}else ...

也可以实现一个AbstractValueVisitor的子类

Value op = assignStmt.getRightOp() ;
AbstractValueVisitor visitor = new AbstractValueVisitor<Integer>() {
    private int intConstantCounter = 0;
    @Override
    public void caseConstant(@Nonnull Constant c) {
        intConstantCounter++;
        setResult(intConstantCounter);
    }
};

op.accept(visitor);
int amountOfIfStmts = visitor.getResult();

如果只需要处理Value的子集，也可以考虑实现ImmediateVisitor、ConstantVisitor、ExprVisitor、RefVisitor

Jimple Type

PrimaryType

BooleanType
ByteType
CharType
ShortType
IntType
LongType
DoubleType
FloatType

ReferenceType

(Java)ClassType
ArrayType
NullType

VoidType

VoidType

Jimple Trap

Trap是用于模拟异常流的机制（try-catch-finally结构）

其定义了捕捉的异常类型、捕捉的范围（from-to）、以及处理异常的代码（handler）

public static void foo(){
    try {
        Runtime.getRuntime().exec("calc");
    } catch (IOException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

{
    java.lang.Object $stack3;
    java.lang.Runtime $stack1;
    java.lang.RuntimeException #l1;
    java.lang.Throwable #l0, $stack2, e;

  label1:
    $stack1 = staticinvoke <java.lang.Runtime: java.lang.Runtime getRuntime()>();
    virtualinvoke $stack1.<java.lang.Runtime: java.lang.Process exec(java.lang.String)>("calc");

  label2:
    goto label4;

  label3:
    $stack2 := @caughtexception;
    e = $stack2;
    $stack3 = new java.lang.RuntimeException;
    #l1 = (java.lang.RuntimeException) $stack3;
    specialinvoke #l1.<java.lang.RuntimeException: void <init>(java.lang.Throwable)>($stack2);
    #l0 = (java.lang.Throwable) $stack3;

    throw #l0;

  label4:
    return;

 catch java.io.IOException from label1 to label2 with label3;
}

调用Body#getTraps可获取

System.out.println(method.getBody().getTraps());
System.out.println(method.getBody().getStmtGraph().buildTraps());

java.io.IOException
from: $stack1 = staticinvoke <java.lang.Runtime: java.lang.Runtime getRuntime()>()
to: goto
handler: $stack2 := @caughtexception

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Jimple IR

like Java, but simple -> Jimple

Jimple是Soot采用的中间表示形式IR，Soot是在IR的基础上进行程序分析的。

JVM字节码是基于栈的语言，不能直观地知道其操作码的意图，而模拟栈的执行相对困难；而Java源代码有着嵌套的结构，也不适合做程序分析。

Jimple IR 作为一种带类型的三地址码（typed 3 Address Code）结合了两者的优点：

局部变量，无栈操作，可读性比字节码强
this和形参有特殊的变量表示
只有简单语句，平坦结构非嵌套

三地址码：左边最多一个引用，右边最多两个引用

更多参考：

Jimple Stmt

Branching Stmts

模拟语句间的条件/无条件跳转，CFG中有多个后继节点

JGotoStmt

无条件跳转到目标语句

label1:
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    if (i == 3) {
        break label1;
    }
}

{
    int i;
    i = 0;

  label1:
    if i >= 5 goto label3;
    if i != 3 goto label2;
    goto label3; 👈

  label2:
    i = i + 1;
    goto label1; 👈

  label3:
    return;
}

第8行和第12行的goto语句都是JGotoStmt的实例

JIfStmt

第一个后继节点为紧跟着的语句（条件为真），第二个后继节点为分支语句（条件为假）

if (x % 2 == 0) {
    return 1;
} else {
    return 0;
}

{
    int $stack1, x;
    
    x := @parameter0: int;
    $stack1 = x % 2;

    if $stack1 != 0 goto label1; 👈
    return 1;

  label1:
    return 0;
}

method.getBody().getStmts().stream()
    .filter(stmt -> stmt instanceof JIfStmt)
    .forEach(stmt -> System.out.println(
        stmt + "\n" +
        ((JIfStmt) stmt).getCondition() + "\n" +
        ((JIfStmt) stmt).getTargetStmts(method.getBody())
    ));

打印得到：

if $stack1 != 0
$stack1 != 0
[return 0]

getCondition获取条件表达式

getTargetStmts即为goto后面跟着的标签指向的语句。

JSwitchStmt

switch (x){
    case 1:
        x = 2;
        break;
    case 2:
        x = 4;
        break;
    default:
        x = 6;
        break;
}

{
    byte x#1, x#2, x#3;
    int x#0;

    x#0 := @parameter0: int;

    switch(x#0)  👈
    {
        case 1: goto label1;
        case 2: goto label2;
        default: goto label3;
    };

  label1:
    x#1 = 2;
    goto label4;

  label2:
    x#2 = 4;
    goto label4;

  label3:
    x#3 = 6;

  label4:
    return;
}

method.getBody().getStmts().stream()
    .filter(stmt -> stmt instanceof JSwitchStmt)
    .forEach(stmt -> System.out.println(
        stmt + "\n" +
        ((JSwitchStmt) stmt).getTargetStmts(method.getBody()) + "\n" +
        ((JSwitchStmt) stmt).getDefaultTarget(method.getBody())+"\n" +
        ((JSwitchStmt) stmt).getKey() + "\n" +
        ((JSwitchStmt) stmt).getValues()
    ));

switch(x#0) {     case 1:     case 2:     default:  }
[x#1 = 2, x#2 = 4, x#3 = 6]
Optional[x#3 = 6]
x#0
[1, 2]

getValues：case语句匹配的值（List<IntConstant>）

getKey：switch语句要匹配的目标（Immediate）

FallsThrough Stmts

这些语句只有一个后继节点

JInvokeStmt

转换控制流到另一个方法直到方法调用返回。

virtualinvoke、specialinvoke等

JAssignStmt

rhs（right hand-side）赋值给lhs（left hand-side）

lhs可以是变量、字段、数组的引用（LValue）

rhs可以是表达式（Expr）、变量（Local）、引用（Ref）、常量（Constant）（Value）

package org.example;
public class CFG {
    public static int KEY = 666;
    public static void foo(int x) {
        int counter = 3;
        counter = KEY + counter;
    }
}

{
    byte counter#0;
    int $stack2, counter#1, x;

    x := @parameter0: int;
    counter#0 = 3;   👈
    $stack2 = <org.example.CFG: int KEY>;  👈
    counter#1 = $stack2 + 3;  👈

    return;
}

getLeftOp和getRightOp用于获取lhs和rhs

JIdentityStmt

类似JAssignStmt，但是是处理一些隐式赋值

JParameterRef将形参赋值给变量，@parameter0: int表示第一个形参，类型为int
JCaughtExceptionRef将异常赋值给变量，如@caughtexception: java.lang.NullpointerException
JThisRef将this赋值给变量

JEnterMonitorStmt & JExitMonitorStmt

标记synchronized代码块的入口和出口

package org.example;
public class CFG {
    private int counter = 0;
    public void foo() {
        synchronized (this) {
            counter = counter + 1;
        }
    }
}

{
    int $stack3, $stack4;
    java.lang.Throwable $stack5, l2;
    org.example.CFG l1, this;

    this := @this: org.example.CFG;
    l1 = this;
    entermonitor this;  👈

  label1:
    $stack3 = this.<org.example.CFG: int counter>;
    $stack4 = $stack3 + 1;
    this.<org.example.CFG: int counter> = $stack4;
    exitmonitor this;   👈

  label2:
    goto label5;

  label3:
    $stack5 := @caughtexception;
    l2 = $stack5;
    exitmonitor this;   

  label4:
    throw $stack5;

  label5:
    return;

 catch java.lang.Throwable from label1 to label2 with label3;
 catch java.lang.Throwable from label3 to label4 with label3;
}

Other Stmts

JReturnStmt & JReturnVoidStmt

结束当前方法的控制流并返回一个值给调用者

JReturnStmt：return xxx;

JReturnVoidStmt：return;

JThrowStmt

如果抛出的异常没有被Trap捕捉，结束当前方法的执行，并跳转到异常处理器。

throw xxx;

Good Tip

很多SootUp的API都会返回Stmt接口，可以利用instanceof来判断它的子类

List<Stmt> stmts = ... ;
for( Stmt stms : stmts ){
    if(stmt instanceof JAssignStmt){
        // found a JAssignStmt
        Value rhsOp = ((JAssignStmt) stmt).getRightOp();
        ...
    }else if(stmt instanceof JInvokeStmt){
        // found a JInvokeStmt
        JInvokeStmt ivkStmt = ((JInvokeStmt) stmt);
        MethodSignature rhsOp = ivkStmt.getInvokeExpr().getMethodSignature();
        ...
    }else ...
}

但这会造成大量的if-else语句，总归不太优雅。

因此SootUp提供了另一种处理方式，实现一个AbstractStmtVisitor子类

List<Stmt> stmts = ...;
AbstractStmtVisitor visitor = new AbstractStmtVisitor<Integer>() {
    private int ifStmtsCounter = 0;
    @Override
    public void caseIfStmt(@Nonnull JIfStmt stmt) {
        ifStmtsCounter++;
        setResult(ifStmtCounter);
    }
};

for( Stmt stms : stmts ){
    stmt.accept(visitor);
}

int amountOfIfStmts = visitor.getResult();

Jimple Values

Immediate

立即数，包括Local（变量）和Constant（常量）

Local

Local是作用域在当前方法中的变量，可以通过JIdentityStmt或JAssignStmt将Value赋值给Local

Constant

表示实际的值，如一个具体的数字或字符串

常量通常赋值给Local或Ref（即lhs可能的情况）

Expr

表达式是一种能够被计算并返回值的语言结构

AbstracBinopExpr二元表达式
AbstracUnopExpr一元表达式
AbstractInvokeExpr调用表达式

Ref

JArrayRef

数组索引来引用

$arr[1] = 42;
$anotherLocal = arr[99];

JFieldRef

对SootField的引用

JStaticFieldRef：静态字段
JInstanceFieldRef：实例字段

IdentityRef

用于隐式赋值（JIdentityStmt）的引用

JThisRef
JCaughtExceptionRef
JParameterRef

Good Tip

和Stmts类似，很多SootUp的API返回Value接口，可以利用instanceof判断它的子类

Value op = assignStmt.getRightOp();
if(op instanceof Local){
    // found a Local
    ...
}else if(stmt instanceof Constant){
    // found a Constant
    ...
}else ...

也可以实现一个AbstractValueVisitor的子类

Value op = assignStmt.getRightOp() ;
AbstractValueVisitor visitor = new AbstractValueVisitor<Integer>() {
    private int intConstantCounter = 0;
    @Override
    public void caseConstant(@Nonnull Constant c) {
        intConstantCounter++;
        setResult(intConstantCounter);
    }
};

op.accept(visitor);
int amountOfIfStmts = visitor.getResult();

如果只需要处理Value的子集，也可以考虑实现ImmediateVisitor、ConstantVisitor、ExprVisitor、RefVisitor

Jimple Type

PrimaryType

BooleanType
ByteType
CharType
ShortType
IntType
LongType
DoubleType
FloatType

ReferenceType

(Java)ClassType
ArrayType
NullType

VoidType

VoidType

Jimple Trap

Trap是用于模拟异常流的机制（try-catch-finally结构）

其定义了捕捉的异常类型、捕捉的范围（from-to）、以及处理异常的代码（handler）

public static void foo(){
    try {
        Runtime.getRuntime().exec("calc");
    } catch (IOException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

{
    java.lang.Object $stack3;
    java.lang.Runtime $stack1;
    java.lang.RuntimeException #l1;
    java.lang.Throwable #l0, $stack2, e;

  label1:
    $stack1 = staticinvoke <java.lang.Runtime: java.lang.Runtime getRuntime()>();
    virtualinvoke $stack1.<java.lang.Runtime: java.lang.Process exec(java.lang.String)>("calc");

  label2:
    goto label4;

  label3:
    $stack2 := @caughtexception;
    e = $stack2;
    $stack3 = new java.lang.RuntimeException;
    #l1 = (java.lang.RuntimeException) $stack3;
    specialinvoke #l1.<java.lang.RuntimeException: void <init>(java.lang.Throwable)>($stack2);
    #l0 = (java.lang.Throwable) $stack3;

    throw #l0;

  label4:
    return;

 catch java.io.IOException from label1 to label2 with label3;
}

调用Body#getTraps可获取

System.out.println(method.getBody().getTraps());
System.out.println(method.getBody().getStmtGraph().buildTraps());

java.io.IOException
from: $stack1 = staticinvoke <java.lang.Runtime: java.lang.Runtime getRuntime()>()
to: goto
handler: $stack2 := @caughtexception