AST 访客模式匹配：拯救你的代码，从混乱走向秩序
各位代码界的英雄们，晚上好！我是你们的老朋友，一个在代码堆里摸爬滚打多年的老兵。今天，咱们不聊高大上的架构，不谈玄乎其玄的理论，就来点实在的，聊聊如何用 AST 访客模式匹配，来整治那些让人头疼的混淆代码。
想象一下，你接手了一个项目，代码像一团乱麻，变量名像外星语，逻辑绕得能把人送进 ICU。更可怕的是，里面还藏着各种重复的、低效的，甚至是隐藏 bug 的混淆模式。这时候，你是不是想把写代码的人拉出来暴打一顿？
别冲动！暴力解决不了问题，我们要优雅地、技术性地战胜它！而 AST 访客模式匹配，就是我们手中的利器。
什么是 AST？ 为什么我们需要它？
首先，我们要理解什么是 AST。AST，全称 Abstract Syntax Tree，抽象语法树。你可以把它想象成编译器理解你代码的“骨架”。
当编译器读取你的代码时，它不会直接“执行”这些字符，而是先将代码解析成一个树状结构，这个树就是 AST。树的每个节点代表代码中的一个语法结构，比如变量声明、函数调用、循环等等。
# 示例代码
x = a + b * 2这段简单的 Python 代码，对应的 AST 大概是这样的（简化版）：
Assign(
target=Name(id='x'),
value=BinOp(
left=Name(id='a'),
op=Add(),
right=BinOp(
left=Name(id='b'),
op=Mult(),
right=Constant(value=2)
)
)
)解释一下：
Assign：赋值语句。target：赋值目标，这里是变量x。value：要赋的值，这里是一个二元运算a + b * 2。BinOp：二元运算。left：左操作数。op：操作符，可以是Add（加法）、Mult（乘法）等等。right：右操作数。Name：变量名。Constant：常量。
为什么我们需要 AST？
因为 AST 提供了代码的结构化表示。我们可以通过分析 AST，了解代码的语义，进行各种自动化操作，比如：
- 代码检查：发现潜在的 bug 和不规范的代码。
- 代码优化：将低效的代码转换为更高效的代码。
- 代码重构：自动进行代码的结构调整，提高可读性和可维护性。
- 代码转换：将代码从一种语言转换成另一种语言（例如，将 ES5 代码转换为 ES6 代码）。
- 代码混淆/反混淆：是的，AST 也能用来混淆和反混淆代码，但我们今天是用它来反混淆的！
访客模式： 遍历 AST 的利器
有了 AST，我们还需要一种方法来遍历它，访问树上的每个节点。这就轮到访客模式（Visitor Pattern）登场了。
访客模式是一种设计模式，它允许你定义一个“访问者”对象，它可以遍历一个对象结构（这里是 AST），并对每个节点执行特定的操作。
简单来说，你可以把它想象成一个导游，带着你在 AST 这座大花园里参观，每到一个景点（节点），导游就会告诉你这个景点是什么，然后你可以选择对它做什么。
如何使用访客模式？
不同的编程语言有不同的 AST 库和访客模式实现。我们以 Python 的 ast 模块为例，演示如何使用访客模式遍历 AST。
import ast
class MyVisitor(ast.NodeVisitor):
def visit_Name(self, node):
print(f"发现变量名：{node.id}")
def visit_BinOp(self, node):
print(f"发现二元运算：{type(node.op).__name__}")
self.generic_visit(node) # 继续遍历子节点
source_code = "x = a + b * 2"
tree = ast.parse(source_code)
visitor = MyVisitor()
visitor.visit(tree)代码解释：
import ast: 导入 Python 的ast模块。MyVisitor(ast.NodeVisitor): 定义一个自定义的访客类，继承自ast.NodeVisitor。visit_Name(self, node): 定义一个visit_Name方法，用于处理Name类型的节点。当访客访问到一个Name节点时，这个方法会被调用。visit_BinOp(self, node): 定义一个visit_BinOp方法，用于处理BinOp类型的节点。self.generic_visit(node): 在visit_BinOp方法中，调用self.generic_visit(node)方法，用于继续遍历当前节点的子节点。如果不调用这个方法，那么这个节点的子节点就不会被访问到。ast.parse(source_code): 将源代码解析成 AST。visitor = MyVisitor(): 创建一个访客对象。visitor.visit(tree): 开始遍历 AST，并调用相应的visit_XXX方法。
运行这段代码，你将会看到类似这样的输出：
发现变量名：x
发现二元运算：Add
发现变量名：a
发现二元运算：Mult
发现变量名：b可以看到，访客模式可以让我们轻松地遍历 AST，并对不同类型的节点执行不同的操作。
模式匹配：精准定位混淆代码
光能遍历 AST 还不够，我们需要一种方法来精准地定位那些我们想要替换的混淆代码模式。这就是模式匹配的用武之地。
模式匹配，简单来说，就是在一个大的数据集中，查找符合特定模式的数据。在我们的场景中，数据集就是 AST，而模式就是我们想要查找的混淆代码结构。
如何进行模式匹配？
我们可以利用访客模式，结合一些条件判断，来实现模式匹配。
例如，假设我们想要查找所有将变量 x 赋值为 a + 1 的代码模式。我们可以这样写：
import ast
class FindXAssignAAddOne(ast.NodeVisitor):
def visit_Assign(self, node):
if isinstance(node.target, ast.Name) and node.target.id == 'x':
if isinstance(node.value, ast.BinOp):
if isinstance(node.value.op, ast.Add):
if isinstance(node.value.left, ast.Name) and node.value.left.id == 'a':
if isinstance(node.value.right, ast.Constant) and node.value.right.value == 1:
print("找到 x = a + 1 的模式！")
source_code = """
x = a + 1
y = b + 2
z = a + 1
"""
tree = ast.parse(source_code)
visitor = FindXAssignAAddOne()
visitor.visit(tree)这段代码会输出：
找到 x = a + 1 的模式！
找到 x = a + 1 的模式！更复杂的模式匹配
上面的例子只是一个简单的模式匹配。在实际项目中，我们可能需要匹配更复杂的模式，例如：
- 匹配特定类型的函数调用。
- 匹配嵌套的循环结构。
- 匹配带有特定条件的
if语句。
为了处理这些复杂的模式，我们可以使用更强大的模式匹配工具，例如：
astpattern: 一个 Python 库，提供了更简洁的语法来定义 AST 模式。lark: 一个通用的解析器生成器，可以用来解析各种语言的 AST，并进行复杂的模式匹配。
代码替换：让混乱的代码焕然一新
找到混淆代码模式之后，下一步就是替换它们。我们可以使用 ast.NodeTransformer 类来实现代码替换。
ast.NodeTransformer 类是 ast.NodeVisitor 的一个子类，它允许你在遍历 AST 的同时，修改 AST 的结构。
如何使用 ast.NodeTransformer？
import ast
class ReplaceXAssignAAddOne(ast.NodeTransformer):
def visit_Assign(self, node):
if isinstance(node.target, ast.Name) and node.target.id == 'x':
if isinstance(node.value, ast.BinOp):
if isinstance(node.value.op, ast.Add):
if isinstance(node.value.left, ast.Name) and node.value.left.id == 'a':
if isinstance(node.value.right, ast.Constant) and node.value.right.value == 1:
# 将 x = a + 1 替换为 x = a + 100
node.value.right.value = 100
return node # 返回修改后的节点
return node # 返回原始节点
source_code = """
x = a + 1
y = b + 2
z = a + 1
"""
tree = ast.parse(source_code)
transformer = ReplaceXAssignAAddOne()
new_tree = transformer.visit(tree)
new_source_code = ast.unparse(new_tree)
print(new_source_code)代码解释：
ReplaceXAssignAAddOne(ast.NodeTransformer): 定义一个自定义的转换器类，继承自ast.NodeTransformer。visit_Assign(self, node): 定义一个visit_Assign方法，用于处理Assign类型的节点。node.value.right.value = 100: 修改 AST 节点的值，将1替换为100。return node: 返回修改后的节点。ast.unparse(new_tree): 将修改后的 AST 转换回源代码。
运行这段代码，你将会看到类似这样的输出：
x = a + 100
y = b + 2
z = a + 100可以看到，我们成功地将代码中的 x = a + 1 替换为了 x = a + 100。
更高级的代码替换
除了简单的值替换，我们还可以进行更高级的代码替换，例如：
- 替换整个代码块。
- 插入新的代码。
- 删除现有的代码。
实战案例： 消除常见的混淆模式
现在，让我们来看几个实战案例，演示如何使用 AST 访客模式匹配，消除常见的混淆代码模式。
案例 1： 消除无用的变量赋值
有些代码中，会存在一些无用的变量赋值，例如：
x = 1
y = 2
x = 3 # 覆盖了之前的赋值，x = 1 和 y = 2 都是无用的
print(x)我们可以使用 AST 来检测并消除这些无用的变量赋值。
import ast
class RemoveUnusedAssignments(ast.NodeTransformer):
def __init__(self):
self.assigned_vars = set()
self.used_vars = set()
def visit_Assign(self, node):
if isinstance(node.target, ast.Name):
self.assigned_vars.add(node.target.id)
return node
def visit_Name(self, node):
self.used_vars.add(node.id)
return node
def visit_Module(self, node):
# 先遍历一遍，收集所有赋值和使用的变量
for stmt in node.body:
self.visit(stmt)
# 再次遍历，删除无用的赋值语句
new_body = []
for stmt in node.body:
if isinstance(stmt, ast.Assign) and isinstance(stmt.target, ast.Name):
if stmt.target.id not in self.used_vars:
# 这个赋值语句没有被使用，删除它
continue
new_body.append(stmt)
node.body = new_body
return node
source_code = """
x = 1
y = 2
x = 3
print(x)
"""
tree = ast.parse(source_code)
transformer = RemoveUnusedAssignments()
new_tree = transformer.visit(tree)
new_source_code = ast.unparse(new_tree)
print(new_source_code)这段代码会输出：
x = 3
print(x)可以看到，无用的变量赋值 x = 1 和 y = 2 已经被消除。
案例 2： 简化复杂的条件表达式
有些代码中，会存在一些复杂的条件表达式，例如：
if (a > 0 and b > 0) or (a < 0 and b < 0):
print("a 和 b 同号")这个条件表达式可以简化为：
if a * b > 0:
print("a 和 b 同号")我们可以使用 AST 来检测并简化这些复杂的条件表达式。
import ast
class SimplifySignCondition(ast.NodeTransformer):
def visit_If(self, node):
# 匹配 (a > 0 and b > 0) or (a < 0 and b < 0) 的模式
if isinstance(node.test, ast.BoolOp) and isinstance(node.test.op, ast.Or):
if len(node.test.values) == 2:
left = node.test.values[0]
right = node.test.values[1]
if isinstance(left, ast.BoolOp) and isinstance(left.op, ast.And) and len(left.values) == 2:
if isinstance(right, ast.BoolOp) and isinstance(right.op, ast.And) and len(right.values) == 2:
a_gt_0 = left.values[0]
b_gt_0 = left.values[1]
a_lt_0 = right.values[0]
b_lt_0 = right.values[1]
# 检查是否符合 a > 0, b > 0, a < 0, b < 0 的模式
if (isinstance(a_gt_0, ast.Compare) and len(a_gt_0.ops) == 1 and isinstance(a_gt_0.ops[0], ast.Gt) and
isinstance(b_gt_0, ast.Compare) and len(b_gt_0.ops) == 1 and isinstance(b_gt_0.ops[0], ast.Gt) and
isinstance(a_lt_0, ast.Compare) and len(a_lt_0.ops) == 1 and isinstance(a_lt_0.ops[0], ast.Lt) and
isinstance(b_lt_0, ast.Compare) and len(b_lt_0.ops) == 1 and isinstance(b_lt_0.ops[0], ast.Lt)):
# 提取变量 a 和 b
a = a_gt_0.left
b = b_gt_0.left
# 构建 a * b > 0 的表达式
new_test = ast.Compare(
left=ast.BinOp(left=a, op=ast.Mult(), right=b),
ops=[ast.Gt()],
comparators=[ast.Constant(value=0)]
)
node.test = new_test
return node
return node
source_code = """
if (a > 0 and b > 0) or (a < 0 and b < 0):
print("a 和 b 同号")
"""
tree = ast.parse(source_code)
transformer = SimplifySignCondition()
new_tree = transformer.visit(tree)
new_source_code = ast.unparse(new_tree)
print(new_source_code)这段代码会输出：
if a * b > 0:
print('a 和 b 同号')可以看到，复杂的条件表达式已经被简化为 a * b > 0。
案例 3： 替换 Magic Number
在编程中，Magic Number 是指在代码中直接使用的、没有明确含义的数字。这会降低代码的可读性和可维护性。我们可以使用 AST 来检测并替换这些 Magic Number。
import ast
class ReplaceMagicNumber(ast.NodeTransformer):
def __init__(self, magic_numbers, replacement):
self.magic_numbers = magic_numbers
self.replacement = replacement
def visit_Constant(self, node):
if isinstance(node.value, int) and node.value in self.magic_numbers:
return ast.Name(id=self.replacement, ctx=ast.Load())
return node
source_code = """
def calculate_area(radius):
return 3.14 * radius * radius
def calculate_circumference(radius):
return 2 * 3.14 * radius
"""
tree = ast.parse(source_code)
transformer = ReplaceMagicNumber([3.14], "PI")
new_tree = transformer.visit(tree)
new_source_code = ast.unparse(new_tree)
print(new_source_code)输出：
def calculate_area(radius):
return PI * radius * radius
def calculate_circumference(radius):
return 2 * PI * radius可以看到，所有的 3.14 都被替换成了 PI，提高了代码的可读性。
注意事项和最佳实践
在使用 AST 访客模式匹配进行代码清理时，需要注意以下几点：
- 谨慎修改 AST： 修改 AST 可能会导致代码的语义发生变化，因此在修改 AST 之前，一定要仔细分析代码的逻辑，确保修改后的代码仍然能够正常运行。
- 编写单元测试： 在进行代码清理之后，一定要编写单元测试，验证修改后的代码是否正确。
- 使用版本控制： 在进行代码清理之前，一定要使用版本控制工具（如 Git）来备份代码，以便在出现问题时能够回滚。
- 逐步进行： 不要一次性清理大量的代码，而是应该逐步进行，每次清理一小部分代码，并进行测试，确保没有问题后再进行下一步。
- 保持代码风格一致： 在进行代码清理之后，要使用代码格式化工具（如 Black、autopep8）来保持代码风格一致。
- 了解目标语言的AST结构：不同的语言AST结构不同，需要针对性学习。
- 处理异常情况：AST解析可能因为语法错误而失败，需要妥善处理这些异常。
总结
AST 访客模式匹配是一种强大的工具，可以帮助我们自动化地识别和替换混淆代码模式，提高代码的可读性、可维护性和可扩展性。
当然，AST 只是工具，最终还是要靠我们对代码的理解和对问题的分析。希望今天的分享能帮助大家更好地理解 AST，并将其应用到实际项目中，让我们的代码更加干净、整洁、优雅！
好了，今天的讲座就到这里，谢谢大家！ 如果大家还有什么问题，欢迎随时提问。 祝大家编码愉快！