Javaagent技术及Instrumentation接口详解

一、Javaagent

Javaagent相当于一个插件,在JVM启动的时候可以添加 javaagent配置指定启动之前需要启动的agent jar包
这个agent包中需要有MANIFEST.MF文件必须指定Premain-Class配置,且Premain-Class配置指定的Class必须实现premain()方法

在JVM启动的时候,会从agent包中找到MAINIFEST.MF中配置的Class,执行其实现的premain方法,而且这一步是在main方法之前执行的。
这样就可以在JVM启动执行main方法之前做一些其他而外的操作了。

premain方法有两种

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst){
      //执行main方法之前的操作
}

public static void premain(String agentArgs){
      //执行main方法之前的操作
}

 

agent会优先执行第一个方法,如果第二个方法不存在则才会执行第二个方法。

javaagent使用的步骤主要如下:

1、新建agent项目,新建自定义agent的入口类,如下

 1 public class MyAgent 
 2 {
 3     /**
 4      * 参数args是启动参数
 5      * 参数inst是JVM启动时传入的Instrumentation实现
 6      * */
 7     public static void premain(String args,Instrumentation inst)
 8     {
 9         System.out.println("premain方法会在main方法之前执行......");11     }
12 }

2、编辑MANIFEST.MF文件,内容如下:

Mainfest-version: 1.0
Premain-class: cn.lucky.test.agent.MyAgent

3、将agent项目打包成自定义的名字,如 myagent.jar

4、在目标项目启动的时候添加JVM参数

-javaagent: myagent.jar

简单的四步就实现了一个自定义的javaagent,agent的具体实现功能就看自定义的时候如何实现premain(),可以premain方法中添加任何想要在main方法执行之前的逻辑。

 premain方法中有一个参数,Instrumentation,这个是才是agent实现更强大的功能都核心所在

 

Instrumentation接口位于jdk1.6包java.lang.instrument包下,Instrumentation指的是可以独立于应用程序之外的代理程序,可以用来监控和扩展JVM上运行的应用程序,相当于是JVM层面的AOP

功能:

监控和扩展JVM上的运行程序,替换和修改java类定义,提供一套代理机制,支持独立于JVM应用程序之外的程序以代理的方式连接和访问JVM。

比如说一个Java程序在JVM上运行,这时如果需要监控JVM的状态,除了使用JDK自带的jps等命令之外,就可以通过instrument来更直观的获取JVM的运行情况;

或者一个Java方法在JVM中执行,如果我想获取这个方法的执行时间又不想改代码,常用的做法是通过Spring的AOP来实现,而AOP通过面向切面编程,实际上编译出来的类中代码也是被改动的,而instrument是在JVM层面上直接改动java方法来实现

一、Instrumentation接口源码

源码如下:

 1 public interface Instrumentation
 2 {
 3     //添加ClassFileTransformer
 4     void addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform);
 5     
 6     //添加ClassFileTransformer
 7     void addTransformer(ClassFileTransformer transformer);
 8     
 9     //移除ClassFileTransformer
10     boolean removeTransformer(ClassFileTransformer transformer);
11     
12     //是否可以被重新定义
13     boolean isRetransformClassesSupported();
14     
15     //重新定义Class文件
16     void redefineClasses(ClassDefinition... definitions)
17         throws ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException;
18     
19     //是否可以修改Class文件
20     boolean isModifiableClass(Class theClass);
21     
22     //获取所有加载的Class
23     @SuppressWarnings("rawtypes")
24     Class[] getAllLoadedClasses();
25     
26     //获取指定类加载器已经初始化的类
27     @SuppressWarnings("rawtypes")
28     Class[] getInitiatedClasses(ClassLoader loader);
29     
30     //获取某个对象的大小
31     long getObjectSize(Object objectToSize);
32     
33     //添加指定jar包到启动类加载器检索路径
34     void appendToBootstrapClassLoaderSearch(JarFile jarfile);
35     
36     //添加指定jar包到系统类加载检索路径
37     void appendToSystemClassLoaderSearch(JarFile jarfile);
38     
39     //本地方法是否支持前缀
40     boolean isNativeMethodPrefixSupported();
41     
42     //设置本地方法前缀,一般用于按前缀做匹配操作
43     void setNativeMethodPrefix(ClassFileTransformer transformer, String prefix);
44 }

 

主要是定义了操作java类的class文件方法,这里又涉及到了ClassFileTransformer接口,这个接口的作用是改变Class文件的字节码,返回新的字节码数组,源码如下:

1 public interface ClassFileTransformer
2 {
3     
4     byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class classBeingRedefined,
5         ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer)
6         throws IllegalClassFormatException;
7 }

 

ClassFileTransformer接口只有一个方法,就是改变指定类的Class文件,该接口没有默认实现,很显然如果需要改变Class文件的内容,需要改成什么样需要使用者自己来实现。

二、Instrumentation接口的使用案例

Instrumentation可以在带有main方法的应用程序之前运行,通过-javaagent参数来指定一个特点的jar文件(包含Instrumentation代理)来启动Instrumentation的代理程序,所以首先需要编写一个Instrumentation的代理程序,案例如下:

新建代理项目

Javaagent技术及Instrumentation接口详解_第1张图片

 1 public class MyAgent 
 2 {
 3     /**
 4      * 参数args是启动参数
 5      * 参数inst是JVM启动时传入的Instrumentation实现
 6      * */
 7     public static void premain(String args,Instrumentation inst)
 8     {
 9         System.out.println("premain方法会在main方法之前执行......");
10         inst.addTransformer(new MyTransformClass());
11     }
12 }
13 
14 ------------------------------------------------------------------------
15 public class MyTransformClass implements ClassFileTransformer
16 {
17     
18     @Override
19     public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class classBeingRedefined,
20         ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer)
21         throws IllegalClassFormatException
22     {
23         // 定义重新编译之后的字符流数组
24         byte[] newClassFileBuffer = new byte[classfileBuffer.length];
25         String transClassName = "com.mrhu.opin.controller.TestController";//重定义指定类,也可以重定义指定package下的类,使用者自由发挥
26         if (className.equals(transClassName))
27         {
28             System.out.println("监控到目标类,重新编辑Class文件字符流...");
29             // TODO 对目标类的Class文件字节流进行重新编辑
30             // 对byte[]重新编译可以使用第三方工具如javassist,感兴趣的可自行研究
31             // 本文图方便,直接返回旧的字节数组
32             newClassFileBuffer = classfileBuffer;
33         }
34         return newClassFileBuffer;
35     }
36     
37 }

 

编译打包项目为 instrumentdemo.jar,然后其他在需要被监控的项目启动参数中添加如下参数:

-javaagent:instrumentdemo.jar 

然后在被监控应用程序执行main方法之前就会先执行premain方法,走instrumentation代理程序,那么在应用程序加载类的时候就会进入到自定义的ClassFileTransformer中

Instrumentation还可以添加多个代理,按照代理指定的顺序依次调用

(详细案例可以自行百度了解,本文只做理论描述)

 

所以Instrumentation接口相当于一个代理,当执行premain方法时,通过Instrumentation提供的API可以动态的添加管理JVM加载的Class文件,Instrumentation管理着ClassFileTransformer。

ClassFileTransformer接口可以动态的改变Class文件的字节码,在加载字节码的时候可以将字节码进行动态修改,具体实现需要自定义实现类来实现ClassFileTransformer接口

那么premain方法中的Instrumentation对象是如何传入的呢?答案是JVM传入的。

三、Instrumentation的实现原理

 说起Instrumentation的原理,就不得不先提起JVMTI,全程是JVM Tool Interface顾名思义是JVM提供的工具接口,也就是JVM提供给用户的扩展接口集合。

JVMTI是基于事件驱动的,JVM每执行到一定的逻辑就会调用一些事件的回调接口,这些接口可以供开发者扩展自行的逻辑。

比如我想监听JVM加载某个类的事件,那么我们就可以实现一个回调函数赋给jvmtiEnv的回调方法集合里的ClassFileLoadHook(Class类加载事件),那么当JVM进行类加载时就会触发回调函数,我们就可以在JVM加载类的时候做一些扩展操作,

比如上面提到的更改这个类的Class文件信息来增强这个类的方法。

JVMTI运行时,一个JVMTIAgent对应一个jvmtiEnv或者是多个,JVMTIAgent是一个动态库,利用JVMTI暴露出来的接口来进行扩展。

主要有三个函数:

Agent_OnLoad方法:如果agent是在启动时加载的,那么在JVM启动过程中会执行这个agent里的Agent_OnLoad函数(通过-agentlib加载vm参数中)

Agent_OnAttach方法:如果agent不是在启动时加载的,而是attach到目标程序上,然后给对应的目标程序发送load命令来加载,则在加载过程中会调用Agent_OnAttach方法

Agent_OnUnload方法:在agent卸载时调用

 我们常用的Eclipse等调试代码实际就是使用到了这个JVMTIAgent

 

回到主题,Instrument 就是一种 JVMTIAgent,它实现了Agent_OnLoad和Agent_OnAttach两个方法,也就是在使用时,Instrument既可以在启动时加载,也可以再运行时加动态加载

启动时加载就是在启动时添加JVM参数:-javaagent:XXXAgent.jar的方式

运行时加载是通过JVM的attach机制来实现,通过发送load命令来加载

3.1、启动时加载

Instrument agent启动时加载会实现Agent_OnLoad方法,具体实现逻辑如下:

1.创建并初始化JPLISAgent

2.监听VMInit事件,在vm初始化完成之后执行下面逻辑

  a.创建Instrumentation接口的实例,也就是InstrumentationImpl对象

  b.监听ClassFileLoadHook事件(类加载事件)

  c.调用InstrumentationImpl类的loadClassAndCallPremain方法,这个方法会调用javaagent的jar包中里的MANIFEST.MF里指定的Premain-Class类的premain方法

3.解析MANIFEST.MF里的参数,并根据这些参数来设置JPLISAgent里的内容

 3.2、运行时加载

Instrument agent运行时加载会使用Agent_OnAttach方法,会通过JVM的attach机制来请求目标JVM加载对应的agent,过程如下

1.创建并初始化JPLISAgent

2.解析javaagent里的MANIFEST.MF里的参数

3.创建InstrumentationImpl对象

4.监听ClassFileLoadHook事件

5.调用InstrumentationImpl类的loadClassAndCallPremain方法,这个方法会调用javaagent的jar包中里的MANIFEST.MF里指定的Premain-Class类的premain方法

 3.3、ClassFileLoadHook回调实现

启动时加载和运行时加载都是监听同一个jvmti事件那就是ClassFileLoadHook,这个是类加载的事件,在读取类文件字节码之后回调用的,这样就可以对字节码进行修改操作。

在JVM加载类文件时,执行回调,加载Instrument agent,创建Instrumentation接口的实例并且执行premain方法,premain方法中注册自定义的ClassFileTransformer来对字节码文件进行操作,这个就是在加载时进行字节码增强的过程。

那么如果java类已经加载完成了,在运行的过程中需要进行字节码增强的时候还可以使用Instrumentation接口的redifineClasses方法,有兴趣的可以自行研究源码,这里只描述大致过程。

通过执行该方法,在JVM中相当于是创建了一个VM_RedifineClasses的VM_Operation,此时会stop_the_world,具体的执行过程如下:

挨个遍历要批量重定义的 jvmtiClassDefinition
然后读取新的字节码,如果有关注 ClassFileLoadHook 事件的,还会走对应的 transform 来对新的字节码再做修改
字节码解析好,创建一个 klassOop 对象
对比新老类,并要求如下:
父类是同一个
实现的接口数也要相同,并且是相同的接口
类访问符必须一致
字段数和字段名要一致
新增的方法必须是 private static/final 的
可以删除修改方法
对新类做字节码校验
合并新老类的常量池
如果老类上有断点,那都清除掉
对老类做 JIT 去优化
对新老方法匹配的方法的 jmethodId 做更新,将老的 jmethodId 更新到新的 method 上
新类的常量池的 holer 指向老的类
将新类和老类的一些属性做交换,比如常量池,methods,内部类
初始化新的 vtable 和 itable
交换 annotation 的 method、field、paramenter
遍历所有当前类的子类,修改他们的 vtable 及 itable

上面是基本的过程,总的来说就是只更新了类里的内容,相当于只更新了指针指向的内容,并没有更新指针,避免了遍历大量已有类对象对它们进行更新所带来的开销。

另外还可以通过retransform来进行回滚操作,可以回滚到字节码之前的版本。

------------------------------------------------------------

总结:

1. Instrumentation相当于一个JVM级别的AOP

2.Instrumentation在JVM启动的时候监听事件,如类加载事件,JVM触发来指定的事件通过回调通知,并创建一个 Instrumentation接口的实例,然后找到MANIFEST.MF中配置的实现了premain方法的Class

然后将Instrumentation实例传入premain方法中

3.premain方法会在main方法之前执行,可以添加ClassFileTransfer来实现对Class文件字节码的动态修改(并不会修改Class文件中的字节码,而是修改已经被JVM加载的字节码)

4.修改字节码的技术可以使用开源的 ASM、javassist、byteBuddy等 

 

执行premain方法是通过在JVM启动的时候实现的动态代理,那么如果想要在JVM的运行过程中实现这个功能该如何实现呢?这就需要使用JVM的attach机制

JVM提供了一种attach机制,简单点说就是可以通过一个JVM来操作、查询另一个JVM中的数据,比如最常用的jmap、jstack等命令就是通过attach机制实现的。

当需要dump一个JVM进程中的堆信息时,此时就可以通过开启另一个JVM进程,如何通过这个JVM进程来和目标JVM进程进行通信,执行想要执行的命令或者查询想要的数据

 

Attach 实现的根本原理就是使用了 Linux 下是文件 Socket 通信(详情可以自行百度或 Google)。有人也许会问,为什么要采用文件 socket 而不采用网络 socket?我个人认为也许一方面是为了效率(避免了网络协议的解析、数据包的封装和解封装等),另一方面是为了减少对系统资源的占用(如网络端口占用)。采用文件 socket 通信,就好比两个进程通过事先约定好的协议,对同一个文件进行读写操作,以达到信息的交互和共享。简单理解成如下图所示的模型

 

转载于:https://www.cnblogs.com/jackion5/p/10771609.html

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