Java高级特性之Instrumentation

不要说精通Java、Spring，能掌握70%就很不错了，其他的高级特性。。。

我们平常开发java程序时，总想开发一个代理程序监视记录类的运行情况，比如性能监控或运维人员很需要，比如调用业务方法时记录日志、计时等，除了AOP实现之外，还有一种实现，那就是基于java高级特性Instrumentation功能，

比如很多开源或商业公司也是基于此玩法，用开源的技术赚钱是我们一生的梦想！！！！！！！！！

Instrumentation简介

• 利用java.lang.instrument(容器类) 做动态 Instrumentation(执行容器) 是 Java SE 5 的新特性。
• 使用 Instrumentation，开发者可以构建一个独立于应用程序的代理程序（Agent），用来监测和协助运行在 JVM 上的程序，甚至能够替换和修改某些类的定义。
• 这个功能为虚拟机监控提供了支撑。

利用 Java 代码，即 java.lang.instrument 做动态 Instrumentation 是 Java SE 5 的新特性，它把 Java 的 instrument 功能从本地代码中解放出来，使之可以用 Java 代码的方式解决问题。使用 Instrumentation，开发者可以构建一个独立于应用程序的代理程序（Agent），用来监测和协助运行在 JVM 上的程序，甚至能够替换和修改某些类的定义。有了这样的功能，开发者就可以实现更为灵活的运行时虚拟机监控和 Java 类操作了，这样的特性实际上提供了一种虚拟机级别支持的 AOP 实现方式，使得开发者无需对 JDK 做任何升级和改动，就可以实现某些 AOP 的功能了。

在 Java SE 6 里面，instrumentation 包被赋予了更强大的功能：启动后的 instrument、本地代码（native code）instrument，以及动态改变 classpath 等等。这些改变，意味着 Java 具有了更强的动态控制、解释能力，它使得 Java 语言变得更加灵活多变。

在 Java SE6 里面，最大的改变使运行时的 Instrumentation 成为可能。在 Java SE 5 中，Instrument 要求在运行前利用命令行参数或者系统参数来设置代理类，在实际的运行之中，虚拟机在初始化之时（在绝大多数的 Java 类库被载入之前），instrumentation 的设置已经启动，并在虚拟机中设置了回调函数，检测特定类的加载情况，并完成实际工作。但是在实际的很多的情况下，我们没有办法在虚拟机启动之时就为其设定代理，这样实际上限制了 instrument 的应用。而 Java SE 6 的新特性改变了这种情况，通过 Java Tool API 中的 attach 方式，我们可以很方便地在运行过程中动态地设置加载代理类，以达到 instrumentation 的目的。

另外，对 native 的 Instrumentation 也是 Java SE 6 的一个崭新的功能，这使以前无法完成的功能 —— 对 native 接口的 instrumentation 可以在 Java SE 6 中，通过一个或者一系列的 prefix 添加而得以完成。

最后，Java SE 6 里的 Instrumentation 也增加了动态添加 class path 的功能。所有这些新的功能，都使得 instrument 包的功能更加丰富，从而使 Java 语言本身更加强大。

Instrumentation 的基本功能和用法

“java.lang.instrument”包的具体实现，依赖于 JVMTI。JVMTI（Java Virtual Machine Tool Interface）是一套由 Java 虚拟机提供的，为 JVM 相关的工具提供的本地编程接口集合。JVMTI 是从 Java SE 5 开始引入，整合和取代了以前使用的 Java Virtual Machine Profiler Interface (JVMPI) 和 the Java Virtual Machine Debug Interface (JVMDI)，而在 Java SE 6 中，JVMPI 和 JVMDI 已经消失了。JVMTI 提供了一套”代理”程序机制，可以支持第三方工具程序以代理的方式连接和访问 JVM，并利用 JVMTI 提供的丰富的编程接口，完成很多跟 JVM 相关的功能。事实上，java.lang.instrument 包的实现，也就是基于这种机制的：在 Instrumentation 的实现当中，存在一个 JVMTI 的代理程序，通过调用 JVMTI 当中 Java 类相关的函数来完成 Java 类的动态操作。除开 Instrumentation 功能外，JVMTI 还在虚拟机内存管理，线程控制，方法和变量操作等等方面提供了大量有价值的函数。

Instrumentation 的最大作用，就是类定义动态改变和操作。在 Java SE 5 及其后续版本当中，开发者可以在一个普通 Java 程序（带有 main 函数的 Java 类）运行时，通过 – javaagent参数指定一个特定的 jar 文件（包含 Instrumentation 代理）来启动 Instrumentation 的代理程序。

还记得吗，虽然我们噼里啪啦的写java代码，可到了JVM就只认识字节码

在 Java SE 5 当中，开发者可以让 Instrumentation 代理在 main 函数运行前执行。简要说来就是如下几个步骤：

1. 编写 premain 函数

   编写一个 Java 类，包含如下两个方法当中的任何一个

   public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst); 【1】
   public static void premain(String agentArgs); 【2】

   其中，[1] 的优先级比 [2] 高，将会被优先执行（[1] 和 [2] 同时存在时，[2] 被忽略）。

   在这个 premain 函数中，开发者可以进行对类的各种操作。

   agentArgs 是 premain 函数得到的程序参数，随同 “– javaagent”一起传入。与 main 函数不同的是，这个参数是一个字符串而不是一个字符串数组，如果程序参数有多个，程序将自行解析这个字符串。

   Inst 是一个 java.lang.instrument.Instrumentation 的实例，由 JVM 自动传入。java.lang.instrument.Instrumentation 是 instrument 包中定义的一个接口，也是这个包的核心部分，集中了其中几乎所有的功能方法，例如类定义的转换和操作等等。

2. jar 文件打包

   将这个 Java 类打包成一个 jar 文件，并在其中的 manifest 属性当中加入” Premain-Class”来指定步骤 1 当中编写的那个带有 premain 的 Java 类。（可能还需要指定其他属性以开启更多功能）

3. 运行

   用如下方式运行带有 Instrumentation 的 Java 程序：

   java -javaagent:jar文件的位置 [= 传入 premain 的参数， ]
   
   

   对 Java class类文件的操作，可以理解为对一个 byte 数组的操作（将类文件的二进制字节流读入一个 byte 数组）。开发者可以在“ClassFileTransformer”的 transform 方法当中得到，操作并最终返回一个类的定义（一个 byte 数组）。

 

下面我就演示下怎么监视类及类中方法

1.  到官网下载 第三方库 Java bytecode http://www.javassist.org/

2.  eclipse新建纯java项目Agent

先把步骤1下载好的jar包倒入java工程项目（如何导入我就不说了），然后新建包com.dongguangming.Agent，分别建立三个java文件:  CustomClassFileTransformer.java、CustomAgent.java、AgentTest.java(可选)，具体代码如下

/**
 * @author dgm
 * @describe "具体拦截哪些类哪些方法"
 */
public class CustomClassFileTransformer implements ClassFileTransformer {
	public byte[] transform(ClassLoader loader, String className,
			Class classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain,
			byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {

		byte[] byteCode = classfileBuffer;
		if (className.equals("com/dongguangming/Agent/AgentTest")) {
			System.err.println("被拦截的类是："+className);

			ClassPool classPool = ClassPool.getDefault();
			try {
				CtClass ctClass = classPool.makeClass(new ByteArrayInputStream(
						classfileBuffer));
				CtMethod[] methods = ctClass.getDeclaredMethods();
				//System.err.println(methods);

				for (CtMethod method : methods) {
					System.err.println(method.getName());

					if (method.getName().equals("print")) {
						System.out.println("被拦截的方法是 : "
								+ className+"."+method.getName());
						method.insertAt(1,
								"System.out.println(\"注入代码，打日志，计时等\");");
					}
				}
				byteCode = ctClass.toBytecode();
				ctClass.detach();
			} catch (Throwable e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		return byteCode;
	}
}

/**
 * @author dgm
 * @describe "自定义代理"
 */
public class CustomAgent {

	public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
		System.out.println("开始代理 Agent");
		
		CustomClassFileTransformer transformer = new CustomClassFileTransformer();
		instrumentation.addTransformer(transformer);
	}
}

/**
 *测试样本
 */
public class AgentTest {
	public static void main(String[] args) {
		AgentTest sm = new AgentTest();
		System.out.println("准备进入测试阶段");
		sm.print();
	}

	public void print() {
		System.out.println("真正的业务方法");
	}
}

 然后新建元配置文件MANIFEST.MF，内容如下

Manifest-Version: 1.0
Premain-Class: com.dongguangming.Agent.CustomAgent
Class-Path: lib/javassist-3.27.0-GA.jar

 至此项目基本代码已完工，工程结构是这样的

 注意Agent.jar是用eclipse手工配置生成的，实际看个人情况，比如命令行或通过maven构建工具也可以。

3.  测试

进入生成Agent.jar目录，然后执行

java -javaagent:Agent.jar com.dongguangming.Agent.AgentTest

普通输出：. 

执行方法计时

实际生产中比如用的spring全家桶开发，那么传的就是启动类 SpringBoot*了。

这太强大了，对于监控、运维人员来说，可以做到不用改动业务代码，实现零入侵的实现打点、统计、性能监控等。

没有做不到，只有你想不到，世上本没有路，走的人多了，便成了路

 

总结： 天外有太空，人外有人！！！

java博大精深，其它模块你可以不用，但并不代表它不存在！！！

 

参考:

0.  Interface Instrumentation  https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/instrument/Instrumentation.html 

1. Javabyte code: https://www.ibm.com/developerworks/ibm/library/it-haggar_bytecode

 

2. Developing a jvm agent for bytecode  instrumentation with  javassist-pt1 （要fq） http://rafaeloltra.com/developing-a-jvm-agent-for-bytecode-instrumentation-with-javassist-pt1/

3.  Easily Create Java Agents with Byte Buddy  https://www.infoq.com/articles/Easily-Create-Java-Agents-with-ByteBuddy/

4.  Building a dynamic instrumentation agent for Java 

https://blog.sqreen.com/building-a-dynamic-instrumentation-agent-for-java/

5.  鲁迅说过：世上本没有路，走的人多了便也成了路 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1661756653899046770

6.  Creating Your Own Debugging Tools

https://blogs.oracle.com/javamagazine/creating-your-own-debugging-tools

7.  https://medium.com/@Alibaba_Cloud/how-to-use-java-agents-with-asm-bytecode-framework-fb9ca5330dfc