BTrace：Java 线上问题排查神器

BTrace 是什么

BTrace 是检查和解决线上的问题的杀器，BTrace 可以通过编写脚本的方式，获取程序执行过程中的一切信息，并且，注意了，不用重启服务，是的，不用重启服务。写好脚本，直接用命令执行即可，不用动原程序的代码。

原理

总体来说，BTrace 是基于动态字节码修改技术(Hotswap)来实现运行时 java 程序的跟踪和替换。大体的原理可以用下面的公式描述：
Client(Java compile api + attach api) + Agent（脚本解析引擎 + ASM + JDK6 Instumentation） + Socket
其实 BTrace 就是使用了 java attach api 附加 agent.jar ，然后使用脚本解析引擎+asm来重写指定类的字节码，再使用 instrument 实现对原有类的替换。

安装和配置

本次安装和配置在 Linux Ubuntu 14.04 下进行。目前 BTrace 的最新版本为 1.3.9，代码托管在 [github] 上。
第一步，在github 上下载 releases 版 btrace-bin-1.3.9.tgz，zip 版的没有 build 目录。
第二步，解压 btrace-bin-1.3.9.tgz 到一个目录即可，例如 /home/fengzheng/soft/btrace , 到这一步其实就可以用了，只是执行脚本的时候需要在 btrace 命令前加上绝对路径，如果想在任意目录可执行，进行下一步
第三步，配置环境变量，配置的环境变量包括 JAVA_HOME和 BTRACE_HOME ，例如我的配置如下：

export JAVA_HOME=/home/fengzheng/soft/jdk1.8.0_111
export JRE_HOME=${JAVA_HOME}/jre
export CLASSPATH=.:${JAVA_HOME}/lib:${JRE_HOME}/lib  
export PATH=${JAVA_HOME}/bin:$PATH
export BTRACE_HOME=/home/fengzheng/soft/btrace
export PATH=$PATH:$BTRACE_HOME/bin

之后执行命令 source /etc/profile ，使环境变量立即生效。接下来在任意目录执行 btrace命令，都可以执行成功了。

简单测试用例

btrace 最简单的语法是 btrace $pid script.java，所以需要知道要探测的 Java程序的进程id，然后编写一个探测脚本即可。

写一个常驻内存的 Java 程序，这里写了一个无限循环，每隔5秒钟输出一组计算结果，内容如下：

package kite.lab.utils;

/**
 * NumberUtil
 *
 * @author fengzheng
 * @date 2017/2/15
 */
public class NumberUtil {

    public int sum(){
        int result = 0;
        for(int i = 0; i< 100; i++){
            result += i * i;
        }
        return result;
    }

    public static void main(String[] args){
        while (true) {
            Thread.currentThread().setName("计算");
            NumberUtil util = new NumberUtil();
            int result = util.sum();
            System.out.println(result);
            try {
                Thread.sleep(5000);
            }catch (InterruptedException e){

            }
        }
    }
}

顺便说一下命令行编译和运行 Java 的过程：
编译：javac -d . NumberUtil.java，定位到 NumberUtil.java 所在目录，然后执行此命令行，将会在当前目录（.表示当前目录）生成包名所示的目录结构，kite/lab/utils/NumberUtil.class
执行：java kite.lab.utils.NumberUtil 即可

执行上面的程序后，可用 jps 命令查看 pid(一般情况下用哪个账号启动的程序，就要用哪个账号执行 jps ，root 账号除外)，执行 jps 命令看到如下结果：

root@ubuntu:/home/fengzheng/codes/btrace# jps
10906 Jps
10860 NumberUtil

可以看到刚刚执行的 java 进程为 10860
编写 btrace 脚本，脚本内容简单如下：

package kite;

import com.sun.btrace.annotations.*;

import static com.sun.btrace.BTraceUtils.Strings.strcat;
import static com.sun.btrace.BTraceUtils.jstack;
import static com.sun.btrace.BTraceUtils.println;
import static com.sun.btrace.BTraceUtils.str;

/**
 * NumberUtilBTrace
 *
 * @author fengzheng
 * @date 2017/6/20
 */
@BTrace
public class NumberUtilBTrace {

    @OnMethod(
            clazz="kite.lab.utils.NumberUtil",
            method="sum",
            location=@Location(Kind.RETURN)
    )
    public static void func(@Return int result) {
        println("trace: =======================");
        println(strcat("result:", str(result)));
        jstack();
    }
}

意思是在执行结束后（location=@Location(Kind.RETURN) 表示执行结束）输出结果和堆栈信息

预编译：执行之前可以用预编译命令检查脚本的正确性，预编译命令为 btracec，它是一个 javac-like 命令，btracec NumberUtilBTrace.java
调用命令行执行，btrace 10860 NumberUtilBTrace.java ，(如果要保存到本地文件中，可以使用转向命令 btrace 10860 NumberUtilBTrace.java > mylog.log )打印的信息如下：

trace: =======================
result:328350
kite.lab.utils.NumberUtil.sum(NumberUtil.java:16)
kite.lab.utils.NumberUtil.main(NumberUtil.java:27)

按ctrl + c ，会给出退出提示，再按 1 退出

使用场景

BTrace 是一个事后工具，所谓事后工具就是在服务已经上线了，但是发现存在以下问题的时候，可以用 BTrace。

比如哪些方法执行太慢，例如监控执行时间超过1s的方法
查看哪些方法调用了 System.gc() ，调用栈是怎样的
查看方法参数或对象属性
哪些方法发生了异常

多说一点，为了更好解决问题，最好还要配合事前准备和进行中监控，事前准备就是埋点嘛，在一些可能出现问题的方法中进行日志输出，进行中监控就是利用一些实时监控工具，例如 VisualVM 、jmc 这些带界面的工具或者 jdk 提供的命令行工具等，再高级一点的就是利用 Graphite 这样的Metrics 工具配合 web 界面展示出来。

使用限制

为了保证trace语句只读,最小化对被检测程序造成影响， BTrace对trace脚本有一些限制(比如不能改变被trace代码中的状态)

BTrace class不能新建类, 新建数组, 抛异常, 捕获异常,
不能调用实例方法以及静态方法(com.sun.btrace.BTraceUtils除外)
不能将目标程序和对象赋值给BTrace的实例和静态field
不能定义外部, 内部, 匿名, 本地类
不能有同步块和方法
不能有循环
不能实现接口, 不能扩展类
不能使用assert语句, 不能使用class字面值

拦截方法定义

@OnMethod 可以指定 clazz 、method、location。由此组成了在什么时机（location 决定）监控某个类/某些类（clazz 决定）下的某个方法/某些方法(method 决定)。

如何定位

精准定位

直接定位到一个类下的一个方法，上面测试用的例子就是
正则表达式定位

正则表达式在两个"/" 之间，例如下面的例子,监控 javax.swing 包下的所有方法，注意正式环境中，范围尽可能小一点，太大了性能会有影响。
```
@OnMethod(clazz="/javax\\.swing\\..*/", method="/.*/")
public static void swingMethods( @ProbeClassName String probeClass, @ProbeMethodName String probeMethod) {
   print("entered " + probeClass + "."  + probeMethod);
}
```
通过在拦截函数的定义里注入@ProbeClassName String probeClass, @ProbeMethodName String probeMethod 参数，告诉脚本实际匹配到的类和方法名。
按接口或继承类定位

例如要匹配继承或实现了 com.kite.base 的接口或基类的，只要在类前加上 + 号就可以了，例如

@OnMethod(clazz="+com.kite.base", method="doSome")
按注解定位

在前面加上 @ 即可，例如@OnMethod(clazz="@javax.jws.WebService", method="@javax.jws.WebMethod")

拦截时机

拦截时机由 location 决定，当然也可为同一个定位加入多个拦截时机，即可以在进入方法时拦截、方法返回时拦截、抛出异常时拦截

Kind.Entry与Kind.Return

分别表示函数的开始和返回，不写 location 的情况下，默认为 Kind.Entry,仅获取参数值，可以用 Kind.Entry ，要获取返回值或执行时间就要用 Kind.Return
Kind.Error, Kind.Throw和 Kind.Catch

表示异常被 throw 、异常被捕获还有异常发生但是没有被捕获的情况，在拦截函数的参数定义里注入一个Throwable的参数，代表异常
```
@OnMethod(clazz = "java.net.ServerSocket", method = "bind", location =@Location(Kind.ERROR))

public static void onBind(Throwable exception, @Duration long duration){
  
}
```

Kind.Call 和 Kind.Line

Kind.Call 表示被监控的方法调用了哪些其他方法，例如：

@OnMethod(clazz = "com.kite",
            method = "login",
            location = @Location(value = Kind.CALL, clazz = "/.*/", method = "/.*/", where = Where.AFTER))
    public static void onBind(@Self Object self, @TargetInstance Object instance, @TargetMethodOrField String method, @Duration long duration){
        println(strcat("self: ", str(self)));
        println(strcat("instance: ", str(instance)));
        println(strcat("method: ", str(method)));
        println(strcat("duration(ms): ", str(duration / 1000000)));
    }

@Self 表示当前监控的函数所在类，如果是静态类则为空，@TargetInstance 表示函数中调用的方法或属性所在的类，如果是静态方法则为空，@TargetMethodOrField 表示调用的方法或属性，如果要获取执行时间，那么 where 必须设置为 Where.AFTER

Kind.Line 监测类是否执行到了设置的行数，例如：

@OnMethod(clazz = "com.kite.demo", location = @Location(value = Kind.LINE, line = 20))
public static void onBind() {

   println("执行到第20行");

}

几个例子

查看谁调用了GC

@OnMethod(clazz = "java.lang.System", method = "gc")
   public static void onSystemGC() {
       println("entered System.gc()");
       jstack();
   }

打印耗时超过100ms的方法

 @OnMethod(clazz = "/com\\.kite\\.controller\\..*/",method = "/.*/",location = @Location(Kind.RETURN))
    public static void slowQuery(@ProbeClassName String pcn,@ProbeMethodName String probeMethod, @Duration long duration){
        if(duration > 1000000 * 100){
            println(strcat("类：", pcn));
            println(strcat("方法：", probeMethod));
            println(strcat("时长：", str(duration / 1000000)));
        }
    }

BTrace 提供了一系列的 sample, 可到 github 上查看。

注意问题

如果出现 Unable to open socket file: target process not responding or HotSpot VM not loaded 这个问题，可能的原因是执行 BTrace 脚本的用户和 Java 进程运行的用户不是同一个，使用 ps -aux | grep $pid查看一下 Java 进程的执行用户，保证和 BTrace 脚本执行用户相同即可。

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