前置
来源
这个程序是我同学编写的一个学生分数管理系统，我将对这个已经编译的程序进行测试、逆向，找出其中的问题，并进行改进。
运行环境
- macOS 15.4
- IntelliJ IDEA 2024.2.3
- OpenJDK 23.0.2
- TomCat 11.0.4
- Safari 15.4
运行结果
主要问题
在使用了这个程序之后，我发现了以下几个问题：
- 缺少绩点计算；
- 添加学生时，没有对学号进行唯一性检查；
- 添加成绩时，没有对成绩进行唯一性检查。
接下来，我将对这些问题进行改进。
逆向
朋友不够好心，没有提供源码，所以我只能通过逆向的方式来找出问题。
得益于IntelliJ IDEA内置的FernFlower，我能迅速的逆向Java Class，于是很快就破解出了这个项目的代码。
Score.class
//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by FernFlower decompiler)
//package com.example.javadzy;import java.io.Serializable;public class Score implements Serializable {private String course;private int grade;public Score(String course, int grade) {this.course = course;this.grade = grade;}public String getCourse() {return this.course;}public void setCourse(String course) {this.course = course;}public int getGrade() {return this.grade;}public void setGrade(int grade) {this.grade = grade;}
}
Student.class
//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by FernFlower decompiler)
//package com.example.javadzy;import java.io.Serializable;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;public class Student implements Serializable {private String name;private ArrayList<Score> scores;public Student(String name) {this.name = name;this.scores = new ArrayList();}public Student(String name, ArrayList<Score> scores) {this.name = name;this.scores = scores;}public String getName() {return this.name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public ArrayList<Score> getScores() {return this.scores;}public void addScore(Score score) {this.scores.add(score);}public int getSize() {return this.scores.size();}public class Statistics {public float average = 0.0F;public int max = 0;public int min = 100;public float passRate = 0.0F;public Statistics(final Student this$0) {int sum = 0;int passCount = 0;Iterator var4 = this$0.scores.iterator();while(var4.hasNext()) {Score score = (Score)var4.next();sum += score.getGrade();if (score.getGrade() > this.max) {this.max = score.getGrade();}if (score.getGrade() < this.min) {this.min = score.getGrade();}if (score.getGrade() >= 60) {++passCount;}}if (!this$0.scores.isEmpty()) {this.average = (float)sum / (float)this$0.scores.size();this.passRate = (float)passCount / (float)this$0.scores.size();}}}
}StudentDataHandler.class
//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by FernFlower decompiler)
//package com.example.javadzy;import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.util.TreeMap;public class StudentDataHandler {private static StudentDataHandler instance = null;private TreeMap<Integer, Student> students;private final File file = new File(System.getProperty("user.home"), "/.cache/data.dat");private void readData() {System.out.println(System.getProperty("user.dir"));try {ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(this.file));try {this.students = (TreeMap)ois.readObject();} catch (Throwable var5) {try {ois.close();} catch (Throwable var4) {var5.addSuppressed(var4);}throw var5;}ois.close();} catch (Exception var6) {Exception e = var6;this.students = new TreeMap();e.printStackTrace();}}private void writeData() {try {ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(this.file));try {oos.writeObject(this.students);} catch (Throwable var5) {try {oos.close();} catch (Throwable var4) {var5.addSuppressed(var4);}throw var5;}oos.close();} catch (Exception var6) {Exception e = var6;e.printStackTrace();}}private StudentDataHandler() {this.readData();}public static synchronized StudentDataHandler getInstance() {if (instance == null) {instance = new StudentDataHandler();}return instance;}public void addStudent(int id, String name) throws StudentDataException {Student student = new Student(name);if (!this.students.containsKey(id)) {this.students.put(id, student);this.writeData();} else {throw new StudentDataException("学号已存在");}}public void addScore(int id, String course, int grade) throws StudentDataException {if (this.students.containsKey(id)) {Student student = (Student)this.students.get(id);student.addScore(new Score(course, grade));this.writeData();} else {throw new StudentDataException("学号不存在");}}public void removeStudent(int id) throws StudentDataException {if (this.students.containsKey(id)) {this.students.remove(id);this.writeData();} else {throw new StudentDataException("学号不存在");}}public TreeMap<Integer, Student> getStudents() {return this.students;}public Student getStudent(int id) {return (Student)this.students.get(id);}
}JSP文件无需逆向，因为它们不会被编译，这里就不贴出来了。
改进
缺少绩点计算
观察到Student.class中的Statistics子类，我决定在这里添加绩点计算。
首先添加了一个gpa方法，用于计算绩点。随后在Statistics构造函数中的循环调用这个方法，以此便可以计算出平均绩点。
Student.class
public class Statistics {public float average;public int max;public int min;public float passRate;public float gpa;public Statistics() {this.average = 0;this.max = 0;this.min = 100;this.passRate = 0;this.gpa = 0;int sum = 0;int passCount = 0;double gpaSum = 0;for (Score score : scores) {sum += score.getGrade();gpaSum += gpa(score.getGrade());if (score.getGrade() > max) {max = score.getGrade();}if (score.getGrade() < min) {min = score.getGrade();}if (score.getGrade() >= 60) {passCount++;}}if (!scores.isEmpty()) {average = (float) sum / scores.size();passRate = (float) passCount / scores.size();gpa = (float) gpaSum / scores.size();}}public double gpa(float score) {if (score >= 90) {return 4;} else if (score >= 85) {return 3.7;} else if (score >= 82) {return 3.3;} else if (score >= 78) {return 3;} else if (score >= 75) {return 2.7;} else if (score >= 72) {return 2.3;} else if (score >= 68) {return 2;} else if (score >= 64) {return 1.5;} else if (score >= 60) {return 1;} else {return 0;}}
}我还调整了studentDetail.jsp，以便以正确的格式显示绩点。
studentDetail.jsp
<p>平均绩点：<%= String.format("%.00f",stats.gpa) %>。平均分：<%= String.format("%.00f",stats.average) %>；最高分：<%= stats.max %>；最低分：<%= stats.min %>；及格率：<%= String.format("%.0f%%",stats.passRate * 100) %>。
</p>补全唯一性检查
观察StudentDataHandler.class，发现添加学生addStudent和添加成绩addScore两个方法实际都进行了对学号进行唯一性检查。
在检查到重复学号后，抛出了StudentDataException异常，这两个方法所抛出的异常实际上也被JSP处理了，但是并没有显示。
addStudent.jsp
<%if (request.getMethod().equalsIgnoreCase("POST")) {int id = Integer.parseInt(request.getParameter("id"));String name = request.getParameter("name");try {StudentDataHandler.getInstance().addStudent(id, name);} catch (StudentDataException e) {out.println("<p>已有重复学生</p>");} finally {out.println("<p>学生已添加成功！</p>");}response.sendRedirect("index.jsp");}
%>studentDetail.jsp
<%if (request.getMethod().equalsIgnoreCase("POST")) {int id2 = Integer.parseInt(request.getParameter("id2"));String course = request.getParameter("course");int scoreValue = Integer.parseInt(request.getParameter("score"));try {handler.addScore(id2, course, scoreValue);out.println("<p>成绩已添加成功！</p>");} catch (StudentDataException e) {out.println("<p>添加失败: " + e.getMessage() + "</p>");}// Redirect to the same page with the id parameterresponse.sendRedirect("studentDetail.jsp?id=" + id2);}
%>这是为什么呢？因为两个方法在打印出相应的错误后，随后立即被引导到其他页面，所以错误信息并没有被显示出来。
于是，我决定把在显示错误后，将页面引导到错误页面。
addStudent.jsp
<%if (request.getMethod().equalsIgnoreCase("POST")) {int id = Integer.parseInt(request.getParameter("id"));String name = request.getParameter("name");boolean success = true;String errorMessage = "";try {StudentDataHandler.getInstance().addStudent(id, name);} catch (StudentDataException e) {success = false;errorMessage = e.getMessage();}if (success) {response.sendRedirect("index.jsp");} else {response.sendRedirect("error.jsp?message=\"" + URLEncoder.encode(errorMessage, StandardCharsets.UTF_8) + "\"");}}
%>studentDetail.jsp
<%if (request.getMethod().equalsIgnoreCase("POST")) {int id2 = Integer.parseInt(request.getParameter("id2"));String course = request.getParameter("course");int scoreValue = Integer.parseInt(request.getParameter("score"));boolean success = true;String errorMessage = "";try {handler.addScore(id2, course, scoreValue);} catch (StudentDataException e) {success = false;errorMessage = e.getMessage();}if (success) {response.sendRedirect("studentDetail.jsp?id=" + id2);} else {response.sendRedirect("error.jsp?message=\"" + URLEncoder.encode(errorMessage, StandardCharsets.UTF_8) + "\"");}}
%>error.jsp
<%@ page contentType="text/html;charset=UTF-8" %><html>
<head><title>错误</title><link href="main.css" rel="stylesheet" type="text/css">
</head>
<body><h1>出错了！</h1><p>错误信息： <%= request.getParameter("message") %></p><div class="button-container"><a href="index.jsp" class="button">返回首页</a>
</div></body>
</html>但是这里又出现了一个大问题：Student类中的scores存储的是一个ArrayList<Score>，而想在ArrayList中查找是否有重复的Score对象，
最差时间复杂度是O(n)，这显然是不合理的。
所以我决定重构scores的数据结构，将ArrayList<Score>改为HashMap<String, Integer>，以此来提高查找效率，同时也方便了唯一性检查。
Student.class
package com.example.javadzy;import java.io.Serializable;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class Student implements Serializable {private String name; // 姓名private HashMap<String, Integer> scores;public Student(String name) {this.name = name;this.scores = new HashMap<>();}public Student(String name, HashMap<String, Integer> scores) {this.name = name;this.scores = scores;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public HashMap<String, Integer> getScores() {return scores;}public void addScore(String course, Integer score) throws StudentDataException {if (scores.containsKey(course)) {throw new StudentDataException("课程名重复");}this.scores.put(course, score);}public int getSize() {return scores.size();}public class Statistics {public float average;public int max;public int min;public float passRate;public float gpa;public Statistics() {this.average = 0;this.max = 0;this.min = 100;this.passRate = 0;this.gpa = 0;int sum = 0;int passCount = 0;double gpaSum = 0;for (Map.Entry<String, Integer> kvpair : scores.entrySet()) {sum += kvpair.getValue();gpaSum += gpa(kvpair.getValue());if (kvpair.getValue() > max) {max = kvpair.getValue();}if (kvpair.getValue() < min) {min = kvpair.getValue();}if (kvpair.getValue() >= 60) {passCount++;}}if (!scores.isEmpty()) {average = (float) sum / scores.size();passRate = (float) passCount / scores.size();gpa = (float) gpaSum / scores.size();}}public double gpa(float score) {if (score >= 90) {return 4;} else if (score >= 85) {return 3.7;} else if (score >= 82) {return 3.3;} else if (score >= 78) {return 3;} else if (score >= 75) {return 2.7;} else if (score >= 72) {return 2.3;} else if (score >= 68) {return 2;} else if (score >= 64) {return 1.5;} else if (score >= 60) {return 1;} else {return 0;}}}
}于是，Student中scores的唯一性检查就这样完成了。
重构结果
总结
在这次逆向工程和改进过程中，我遇到了以下几个难点和挑战：
难点
- 逆向工程：由于没有源码，我需要通过逆向工程工具（IntelliJ IDEA内置的FernFlower）来获取原始代码。这一过程虽然工具提供了很大帮助，但仍需要仔细分析和理解反编译后的代码；
- 数据结构重构：原始代码中使用
ArrayList<Score>存储成绩，查找重复成绩的效率较低。将其重构为HashMap<String, Integer>后，查找效率显著提高，但需要确保所有相关代码都进行了相应的修改；
异常处理和用户反馈：在添加学生和成绩时，原始代码虽然进行了唯一性检查，但异常信息没有正确反馈给用户。通过修改JSP页面，确保用户能够看到详细的错误信息； - 代码理解和重构：理解反编译后的代码逻辑，并进行合理的重构是一个耗时的过程。特别是将
ArrayList<Score>重构为HashMap<String, Integer>，需要确保所有相关逻辑都进行了相应的修改。
花时间比较久的部分
- 测试和验证：每次修改后，都需要进行充分的测试，确保新代码能够正确运行，并且没有引入新的问题。
我对逆向软件工程的一些思考
- 工具的重要性：逆向工程工具在理解和获取原始代码方面提供了极大的帮助，但仍需要开发者具备较强的代码分析和理解能力；
- 代码可维护性：在进行逆向工程和重构时，发现原始代码在某些方面缺乏可维护性，比方说数据结构选择不当、异常处理不完善。这提醒我们在编写代码时，应尽量考虑代码的可维护性和扩展性。
- 用户体验：在软件开发中，用户体验至关重要。通过改进异常处理和用户反馈机制，可以显著提升用户体验，减少用户在使用过程中的困惑和不便。
通过这次逆向工程和改进，我不仅解决了原始程序中的问题，还积累了宝贵的经验和思考，为今后的开发工作提供了有益的借鉴。
