java agent探究

作者: 何轩hexuan | 来源:发表于2019-07-19 13:38 被阅读0次

目前我们的业务遇到线上问题时经常需要加log调试。从加一行log到push代码再到jekens编译、打包、最后再部署，这个过程时间消耗非常长，而且各个环节都可能出现其他因素干扰（如如多人同时提交导致代码冲突编译不过等），造成的时间消耗就更长了。甚至有时候需要逐步加日志排查问题，重复很多次改代码再打包部署的操作，实在是费心费力。。。
可不可以在服务器上直接改代码使之实时生效？结论是可以的。

一、java Instrumentation

从java5开始，jdk中新增了一个java.lang.instrument.Instrumentation 类，它提供在运行时重新加载某个类的的class文件的api。下面是它的一些主要api

public interface Instrumentation {
/**
     * 加入一个转换器Transformer，之后的所有的类加载都会被Transformer拦截。
     * ClassFileTransformer类是一个接口，使用时需要实现它，该类只有一个方法，该方法传递类的信息，返回值是转换后的类的字节码文件。
     */
    void addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform);    

 /**
     * 对JVM已经加载的类重新触发类加载。使用的就是上面注册的Transformer。
     * 该方法可以修改方法体、常量池和属性值，但不能新增、删除、重命名属性或方法，也不能修改方法的签名
     */
    void retransformClasses(Class<?>... classes) throws UnmodifiableClassException;
    
/**
   *此方法用于替换类的定义，而不引用现有的类文件字节，就像从源代码重新编译以进行修复和继续调试时所做的那样。
   *在要转换现有类文件字节的地方(例如在字节码插装中)，应该使用retransformClasses。
   *该方法可以修改方法体、常量池和属性值，但不能新增、删除、重命名属性或方法，也不能修改方法的签名
   */
    void redefineClasses(ClassDefinition... definitions)throws  ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException;

    /**
     * 获取一个对象的大小
     */
    long getObjectSize(Object objectToSize);
    
    /**
     * 将一个jar加入到bootstrap classloader的 classpath里
     */
    void appendToBootstrapClassLoaderSearch(JarFile jarfile);
    
    /**
     * 获取当前被JVM加载的所有类对象
     */
    Class[] getAllLoadedClasses();
}

通过addTransformer可以加入一个转换器，转换器可以实现对类加载的事件进行拦截并返回转换后新的字节码，通过redefineClasses或retransformClasses都可以触发类的重新加载事件。通过这几个方法的组合，就可以实现文章开头提到的不修改代码使之实时生效的目的了。

二、JAVA Agent

通过操作Instrumentation的api就可以实现不重启服务对单个类进行简单的修改。Instrumentation是一个interface，它的实现类InstrumentationImpl只有一个private的构造方法。
怎么拿到这个对象呢？下面是Instrumentation类的一段注释说明：

有两种方式拿到Instrumentation对象：
在jvm启动时指定agent，Instrumentation对象会通过agent的premain方法传递。
在jvm启动后通过jvm提供的机制加载agent，Instrumentation对象会通过agent的agentmain方法传递。

三、实践java启动时加载agent 获取Instrumentation对象

编写agent类并编译成.class文件，之后把它打成jar包，然后在jvm启动参数中指定jar包位置，具体操作步骤：
1、创建一个agent类，并创建premain方法，premain方法的参数是固定的。

public class preMainAgentClz {
    private static Instrumentation instrumentation;
    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
        instrumentation = inst;
        System.err.println("com.hexuan.agent.demo1.preMainAgentClz 我在main启动之前启动");
    }
}

2、指定premain方法的位置（两种指定方式，设置一种就行）
方式1）创建并编辑 resources/META-INF/MANIFEST.MF 文件，当打jar包时将该文件一并打包

Premain-Class: com.hexuan.agent.demo1.preMainAgentClz #premain方法所在类的位置

方式2）如果是maven项目，在pom.xml加入

 <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-jar-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <archive>
                        <manifest>
                            <addClasspath>true</addClasspath>
                        </manifest>
                        <manifestEntries>
                            <Premain-Class>com.hexuan.agent.demo1.preMainAgentClz</Premain-Class>
                            <Agent-Class>com.hexuan.agent.demo1.agentMainAgentClz</Agent-Class>
                        </manifestEntries>
                    </archive>
                </configuration>
            </plugin>

3、如果是在pom中配置的，直接maven package就好了。如果是MANIFEST.MF文件指定的方式，将包含premain的类编译成class文件，并和MANIFEST.MF一起文件打包jar。
4、启动时指定agent位置，在jvm启动参数中加入-javaagent参数并指定jar文件位置。

-javaagent:/Users/hexuan/IdeaProjects/acfun_WorkSpace/java-agent-demo/target/java-agent-demo-1.0-SNAPSHOT.jar

5、启动java，agent的premain方法会在main方法之前执行。

四、在java启动后以attach的方式加载agent

上文介绍了java进程启动时加载agent的方式和步骤，通过它在启动之前将指定的类进行替换。但如果要实现文章开头提到的调试线上代码，我们需要在修改了class文件后重启jvm并且设置-javaagent参数，显然这种方式不是我们最想要的。上文提到过我们可以在jvm启动后通过jvm提供的机制加载agent，也就是说我们能够在任何时候去加载agent，然后替换类文件。这个机制就是jdk的attach api。

Attach API是Sun公司提供的一套扩展API，用来向目标JVM"附着"(Attach)代理工具程序的。有了它，开发者可以方便的监控一个JVM，运行一个外加的代理程序，Sun JVM Attach API功能上非常简单，仅提供了如下几个功能：

列出当前所有的JVM实例描述
Attach到其中一个JVM上，建立通信管道
让目标JVM加载Agent

Attach Api 对应的代码位置在 com.sun.tools.attach 包，包里边有一个类VirtualMachine，它有两个比较重要方法：

/**
  *传递一个进程号作为参数，返回目标jvm进程的vm对象。
  *该方法其实是JVM进程之间指令传递的桥梁，底层通过socket进行通信。
  *JVM A可以发送一些指令给JVM B，B收到指令之后，可以执行对应的逻辑
  * 比如在命令行中经常使用的jstack、jcmd、jps等，很多都是基于这种机制实现的
  **/
public static VirtualMachine attach(String var0) throws AttachNotSupportedException, IOException 

/**
  *该方法允许我们将agent对应的jar文件地址作为参数传递目标jvm
  *目标jvm收到该命令后会加载这个agent
  **/
public void loadAgent(String var1) throws AgentLoadException, AgentInitializationException, IOException

显然，我们可以创建一个java进程，用它attach到对应的jvm，并加载agent，agent加载后我们的类也就被成功替换了。

五、怎么得到新的类文件

Instrumentation操作的是.class文件，对于我们开发人员来讲，我们看不懂.class文件，更无法直接修改它了。还是考虑文章一开始提到的线上改代码调试的场景，我们知道了如何去替换类，但是如何得到新的.class类文件呢？
方式1：线下修改.java文件 -->编译成.class文件 -->上传到线上机器-->instrument
方式2：线上.class旧文件 -->反编译成.java文件 -->修改java文件 -->编译成.class文件 -->instrument
方式3：通过ASM或其他操作字节码的组件直接修改.class文件-->instrument
...
无论哪种方式，流程太复杂容易出错，有成熟的组件吗？有，Arthas和Btrace

六、Arthas&Btrace

BTrace 是基于动态字节码修改技术(Instrumentation)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。
但是BTrace脚本在使用上有一定的学习成本，如果能把一些常用的功能封装起来，对外直接提供简单的命令即可操作的话，那就再好不过了。2018年9月份阿里开源了自己的Java诊断工具Arthas。Arthas功能非常强大，通过简单的命令行操作即可完成对应功能。究其背后的技术原理，和本文中提到的大致无二。

Btrace开源地址：https://github.com/btraceio/btrace
Arthas开源地址：https://github.com/alibaba/arthas

七、总结

java instrument在很多应用领域都发挥着重要的作用，比如：

apm：(Application Performance Management)应用性能管理。pinpoint、cat、skywalking等都基于Instrumentation实现
idea的HotSwap、Jrebel等热部署工具
应用级故障演练
Java诊断工具Arthas、Btrace等

java agent加载的时序图：

image

附1：java Instrumentation的redefineClasses 和retransformClasses 的补充说明：

二者的区别：都是替换已经存在的class文件，redefineClasses是自己提供字节码文件替换掉已存在的class文件，retransformClasses是在已存在的字节码文件上修改后再替换之。
相互依赖的类加载：允许传类集合，以满足类之间相互依赖的情况，加载顺序为集合顺序
替换后生效时机：如果一个被修改的方法已经在栈桢中存在，则栈桢中的会使用旧字节码定义的方法继续运行，新字节码会在新栈桢中执行
不修改变量值：该方法不会导致类的一些初始化方法执行、不会修改静态变量的值
只改变方法体：该方法可以改变类的方法体、常量池和属性值，但不能新增、删除、重命名属性或方法，也不能修改方法的签名
字节码有问题时不加载：在类转化前该方法不会check字节码文件，如果结果字节码出错了，该方法将抛出异常。如果该方法抛出异常，则不会重新定义任何类

附：2、使用Arthas实现加log调试

#下载arthas agent
wget https://alibaba.github.io/arthas/arthas-boot.jar

#启动agent
java -jar arthas-boot.jar --target-ip 0.0.0.0

#sc：search class 查找类文件
sc *SelectionController

#jad 反编译class 并输出到文件
jad --source-only com.acfun.controller.SelectionController > /tmp/SelectionController.java

#修改源代码
vi /tmp/SelectionController.java

#sc查找加载UserController的ClassLoader  -d参数可以打印出类加载的具体信息
sc -d *SelectionController |grep classLoaderHash 

#编译源代码 使用mc(Memory Compiler)命令来编译，并且通过-c参数指定ClassLoader
mc -c 3787f831 /tmp/SelectionController.java -d /tmp

#使用redefine命令重新加载新编译好的class
redefine /tmp/com/acfun/controller/SelectionController.class

#redefine成功之后，访问controller，观察代码是否生效

java agent探究

一、java Instrumentation

二、JAVA Agent

三、实践java启动时加载agent 获取Instrumentation对象

四、在java启动后以attach的方式加载agent

五、怎么得到新的类文件

六、Arthas&Btrace

七、总结

附1：java Instrumentation的redefineClasses 和retransformClasses 的补充说明：

附：2、使用Arthas实现加log调试

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