从利用Arthas排查线上Fastjson问题到Java动态字节码技术(下)

上一篇从Arthas的源码引出了Java动态字节码技术，那么这一篇就从几种Java字节码技术出发，看看Arthas是如何通过动态字节码技术做到无侵入的源码增强；

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Java大部分情况下都是解释执行的，也就是解释.class文件，所以如果我们想对原代码进行增强的话，直接接的手段便是从源文件.java入手，使用静态代理、动态代理、装饰器等设计模式进行功能增强。但很多时候我们作为第三方，没有机会、不方便拿到源码时，这条路就走不通了；此时如果还是想继续其进行功能增强的话，那么只剩一条路了，就是直接对.class文件下手。

但对于二进制的.class文件，还有多少人能分清魔数、标识符、各种区域表示的内容呢？所以直接操作字节码也似乎不太现实，那有没有什么抓手呢？

ASM

ASM 是 assembly 汇编 的简称，所以它更偏底层、更贴近底层字节码，所以也就更难使用、更晦涩。

整体思路上是通过Reader将.class文件读取后，通过一系列API来增强源码，之后通过Writer生成新的.class文件。

个人不太建议使用这种方式，学习和使用成本都比较高，不直观，太晦涩。

Javaassist

相比于ASM，理解起来不要太简单，不需要了解底层虚拟机指令和晦涩的API，只需要掌握四个核心类即可 ClassPool、CtClass、CtMethod、CtField：

CtClass（compile-time class）：编译时 - 类对象，Java中万物皆对象，CtClass是Class在编译时的对象，可以通过类的全限定名来获取到这个CtClass；

与编译时(compile)类对象相似的，我们平时用反射获取到的是运行时(Runtime)类对象；

ClassPool：可以把它简单的理解为一个HashMap，类的全限定名作为key，可以从中获取到CtClass

CtMethod & CtField：类中的方法和属性

利用以上四个类，可以快速实现对源码的增强，比如当你想实现AOP，在原方法执行前和执行后添加功能的时候，只需要先通过ClassPool获取到CtClass，再获取到CtMethod后，就可以调用该方法的insertBefore和insertAfter，插入具体代码块了。

Instrument

Instrument是JVM提供的一个对已加载的类进行修改的接口(Interface)，打开java.lang.Instrumentation可以看到清晰的说明。

首先Instrument是基于 Java Agent技术的，也就是上一篇中提到的，用 agentmain 和 premain attache java进程生成的 agent，也就是为 Instrument 在运行的进程中开了一个后门。

在instrument接口中最重要的方法是 通过ClassFileTransformer 对原class进行 retransform；

在ClassFileTransformer中实现想要对原class的增强，该接口只有一个需要被子类实现的方法，就是transform方法：

package java.lang.instrument;

public interface ClassFileTransformer {
    byte[]
    transform(  ClassLoader         loader,
                String              className,
                Class<?>            classBeingRedefined,
                ProtectionDomain    protectionDomain,
                byte[]              classfileBuffer)
        throws IllegalClassFormatException;
}

举一个直观的例子，福报厂的ttl threadpool：

package com.alibaba.ttl.threadpool.agent;

public class TtlTransformer implements ClassFileTransformer {
	
	//类似于责任链，可以添加一系列的 ClassFileTransformer
	//值得注意的是，这里使用到了Javassist
    private final List<JavassistTransformlet> transformletList = new ArrayList<JavassistTransformlet>();
    TtlTransformer(List<? extends JavassistTransformlet> transformletList) {
        for (JavassistTransformlet transformlet : transformletList) {
            this.transformletList.add(transformlet);
            logger.info("[TtlTransformer] add Transformlet " + transformlet.getClass() + " success");
        }
    }

    @Override
    public final byte[] transform(@Nullable final ClassLoader loader, @Nullable final String classFile, final Class<?> classBeingRedefined,
                                  final ProtectionDomain protectionDomain, @NonNull final byte[] classFileBuffer) {
        final String className = toClassName(classFile);
		
		//通过classloader和classname加载了原class对象
        ClassInfo classInfo = new ClassInfo(className, classFileBuffer, loader);
		
		//对原class对象，依次应用 ClassFileTransformer，并返回transform后的新class对象
        for (JavassistTransformlet transformlet : transformletList) {
            transformlet.doTransform(classInfo);
            if (classInfo.isModified()) return classInfo.getCtClass().toBytecode();
        }
    }
}

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这时就可以回到上一篇中Arthas的核心启动类ArthasBootstrap ==> transformerManager = new TransformerManager(instrumentation);

在TransformerManager中，有三类增强功能：watcher/tarce/其余的归为reTransformers

public TransformerManager(Instrumentation instrumentation) {
    this.instrumentation = instrumentation;

    classFileTransformer = new ClassFileTransformer() {

        @Override
        public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
                ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
            for (ClassFileTransformer classFileTransformer : reTransformers) {
                byte[] transformResult = classFileTransformer.transform(loader, className, classBeingRedefined,
                        protectionDomain, classfileBuffer);
                if (transformResult != null) {
                    classfileBuffer = transformResult;
                }
            }

            for (ClassFileTransformer classFileTransformer : watchTransformers) {
                byte[] transformResult = classFileTransformer.transform(loader, className, classBeingRedefined,
                        protectionDomain, classfileBuffer);
                if (transformResult != null) {
                    classfileBuffer = transformResult;
                }
            }

            for (ClassFileTransformer classFileTransformer : traceTransformers) {
                byte[] transformResult = classFileTransformer.transform(loader, className, classBeingRedefined,
                        protectionDomain, classfileBuffer);
                if (transformResult != null) {
                    classfileBuffer = transformResult;
                }
            }

            return classfileBuffer;
        }

    };
    instrumentation.addTransformer(classFileTransformer, true);
}

以其中的Watcher为例子，看下Arthas底层是如何增强源码的；

//继承java.lang.instrument包中的 ClassFileTransformer 接口
public class Enhancer implements ClassFileTransformer {
    @Override
    public byte[] transform(final ClassLoader inClassLoader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) {
    	//底层是ASM
        ClassNode classNode = new ClassNode(Opcodes.ASM9);
        //首先获取原class对象
        ClassReader classReader = AsmUtils.toClassNode(classfileBuffer, classNode);
        classNode = AsmUtils.removeJSRInstructions(classNode);

        List<MethodNode> matchedMethods = new ArrayList<MethodNode>();
        for (MethodNode methodNode : classNode.methods) {
            if (!isIgnore(methodNode, methodNameMatcher)) {
                matchedMethods.add(methodNode);
            }
        }

        for (MethodNode methodNode : matchedMethods) {
            if (AsmUtils.isNative(methodNode)) {
                continue; //过滤调native方法
            }
            if(AsmUtils.containsMethodInsnNode(methodNode, Type.getInternalName(SpyAPI.class), "atBeforeInvoke")) {
                ... //对class的方法添加watch功能
            }
        }
        return AsmUtils.toBytes(classNode, inClassLoader, classReader); //返回新的class对象
    }
}