Instrumentation介紹學習

時間  2019-11-07
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Java Instrumentation指的是能夠用獨立於應用程序以外的代理（agent）程序來監測和協助運行在JVM上的應用程序。這種監測和協助包括但不限於獲取JVM運行時狀態，替換和修改類定義等。 Java SE5中使用JVM TI替代了JVM PI和JVM DI。提供一套代理機制，支持獨立於JVM應用程序以外的程序以代理的方式鏈接和訪問JVM。Instrumentation 的最大做用就是類定義的動態改變和操做。在 Java SE 5 及其後續版本當中，開發者能夠在一個普通 Java 程序（帶有 main 函數的 Java 類）運行時，經過 – javaagent 參數指定一個特定的 jar 文件（包含 Instrumentation 代理）來啓動 Instrumentation 的代理程序。java

premain方式
在Java SE5時代，Instrument只提供了premain一種方式，即在真正的應用程序（包含main方法的程序）main方法啓動前啓動一個代理程序。例如使用以下命令：web

 

[java] view plain copyapi

  1. java -javaagent:agent_jar_path[=options] java_app_name  


能夠在啓動名爲java_app_name的應用以前啓動一個agent_jar_path指定位置的agent jar。 實現這樣一個agent jar包，必須知足兩個條件：

 oracle

  1. 在這個jar包的manifest文件中包含Premain-Class屬性，而且改屬性的值爲代理類全路徑名。
  2. 代理類必須提供一個public static void premain(String args, Instrumentation inst)或 public static void premain(String args) 方法。

當在命令行啓動該代理jar時，VM會根據manifest中指定的代理類，使用於main類相同的系統類加載器（即ClassLoader.getSystemClassLoader()得到的加載器）加載代理類。在執行main方法前執行premain()方法。若是premain(String args, Instrumentation inst)和premain(String args)同時存在時，優先使用前者。其中方法參數args即命令中的options，類型爲String（注意不是String[]），所以若是須要多個參數，須要在方法中本身處理（好比用";"分割多個參數之類）；inst是運行時由VM自動傳入的Instrumentation實例，能夠用於獲取VM信息。app

 

premain實例-打印全部的方法調用
下面實現一個打印程序執行過程當中全部方法調用的功能，這個功能能夠經過AOP其餘方式實現，這裏只是嘗試使用Instrumentation進行ClassFile的字節碼轉換實現：

構造agent類

premain方式的agent類必須提供premain方法，代碼以下：ide

 

[java] view plain copy函數

  1. package test;  
  2.   
  3. import java.lang.instrument.Instrumentation;  
  4.   
  5. public class Agent {  
  6.   
  7.     public static void premain(String args, Instrumentation inst){  
  8.         System.out.println("Hi, I'm agent!");  
  9.         inst.addTransformer(new TestTransformer());  
  10.     }  
  11. }  

premain有兩個參數，args爲自定義傳入的代理類參數，inst爲VM自動傳入的Instrumentation實例。 premain方法的內容很簡單，除了標準輸出外，只有測試

 

 

[java] view plain copyspa

  1. inst.addTransformer(new TestTransformer());  

這行代碼的意思是向inst中添加一個類的轉換器。用於轉換類的行爲。

構造Transformer

下面來實現上述過程當中的TestTransformer來完成打印調用方法的類定義轉換。

 

 

[java] view plain copy

  1. package test;  
  2.   
  3. import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;  
  4. import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException;  
  5. import java.security.ProtectionDomain;  
  6.   
  7. import org.objectweb.asm.ClassReader;  
  8. import org.objectweb.asm.ClassWriter;  
  9. import org.objectweb.asm.Opcodes;  
  10. import org.objectweb.asm.tree.ClassNode;  
  11. import org.objectweb.asm.tree.FieldInsnNode;  
  12. import org.objectweb.asm.tree.InsnList;  
  13. import org.objectweb.asm.tree.LdcInsnNode;  
  14. import org.objectweb.asm.tree.MethodInsnNode;  
  15. import org.objectweb.asm.tree.MethodNode;  
  16.   
  17. public class TestTransformer implements ClassFileTransformer {  
  18.   
  19.     @Override  
  20.     public byte[] transform(ClassLoader arg0, String arg1, Class<?> arg2,  
  21.             ProtectionDomain arg3, byte[] arg4)  
  22.             throws IllegalClassFormatException {  
  23.         ClassReader cr = new ClassReader(arg4);  
  24.         ClassNode cn = new ClassNode();  
  25.         cr.accept(cn, 0);  
  26.         for (Object obj : cn.methods) {  
  27.             MethodNode md = (MethodNode) obj;  
  28.             if ("<init>".endsWith(md.name) || "<clinit>".equals(md.name)) {  
  29.                 continue;  
  30.             }  
  31.             InsnList insns = md.instructions;  
  32.             InsnList il = new InsnList();  
  33.             il.add(new FieldInsnNode(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System",  
  34.                     "out", "Ljava/io/PrintStream;"));  
  35.             il.add(new LdcInsnNode("Enter method-> " + cn.name+"."+md.name));  
  36.             il.add(new MethodInsnNode(Opcodes.INVOKEVIRTUAL,  
  37.                     "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V"));  
  38.             insns.insert(il);  
  39.             md.maxStack += 3;  
  40.   
  41.         }  
  42.         ClassWriter cw = new ClassWriter(0);  
  43.         cn.accept(cw);  
  44.         return cw.toByteArray();  
  45.     }  
  46.   
  47. }  


TestTransformer實現了ClassFileTransformer接口，該接口只有一個transform方法，參數傳入包括該類的類加載器，類名，原字節碼字節流等，返回被轉換後的字節碼字節流。 TestTransformer主要使用ASM實如今全部的類定義的方法中，在方法開始出添加了一段打印該類名和方法名的字節碼。在轉換完成後返回新的字節碼字節流。詳細的ASM使用請參考ASM手冊。

 

設置MANIFEST.MF

設置MANIFEST.MF文件中的屬性，文件內容以下：

 

[java] view plain copy

  1. Manifest-Version: 1.0  
  2. Premain-Class: test.Agent  
  3. Created-By: 1.6.0_29  

測試
代碼編寫完成後將代碼編譯打成agent.jar。 編寫測試代碼：

[java] view plain copy

  1. public class TestAgent {  
  2.   
  3.     public static void main(String[] args) {  
  4.         TestAgent ta = new TestAgent();  
  5.         ta.test();  
  6.     }  
  7.   
  8.     public void test() {  
  9.         System.out.println("I'm TestAgent");  
  10.     }  
  11.   
  12. }  


從命令行執行該類，並設置agent.jar

 

 

[java] view plain copy

  1. java -javaagent:agent.jar TestAgent  

將打印出程序運行過程當中實際執行過的全部方法名：

[java] view plain copy

  1. Hi, I'm agent!  
  2. Enter method-> test/TestAgent.main  
  3. Enter method-> test/TestAgent.test  
  4. I'm TestAgent  
  5. Enter method-> java/util/IdentityHashMap$KeySet.iterator  
  6. Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.hasNext  
  7. Enter method-> java/util/IdentityHashMap$KeyIterator.next  
  8. Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.nextIndex  
  9. Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.hasNext  
  10. Enter method-> java/util/IdentityHashMap$KeySet.iterator  
  11. Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.hasNext  
  12. Enter method-> java/util/IdentityHashMap$KeyIterator.next  
  13. Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.nextIndex  
  14. Enter method-> com/apple/java/Usage$3.run  
  15. 。。。  

 

 

從輸出中能夠看出，程序首先執行的是代理類中的premain方法（不過代理類自身不會被本身轉換，因此不能打印出代理類的方法名），而後是應用程序中的main方法。

agentmain方式

premain時Java SE5開始就提供的代理方式，給了開發者諸多驚喜，不過也有些須不變，因爲其必須在命令行指定代理jar，而且代理類必須在main方法前啓動。所以，要求開發者在應用前就必須確認代理的處理邏輯和參數內容等等，在有些場合下，這是比較苦難的。好比正常的生產環境下，通常不會開啓代理功能，可是在發生問題時，咱們不但願中止應用就可以動態的去修改一些類的行爲，以幫助排查問題，這在應用啓動前是沒法肯定的。 爲解決運行時啓動代理類的問題，Java SE6開始，提供了在應用程序的VM啓動後在動態添加代理的方式，即agentmain方式。 與Permain相似，agent方式一樣須要提供一個agent jar，而且這個jar須要知足：

  1. 在manifest中指定Agent-Class屬性，值爲代理類全路徑
  2. 代理類須要提供public static void agentmain(String args, Instrumentation inst)或public static void agentmain(String args)方法。而且再兩者同時存在時之前者優先。args和inst和premain中的一致。

不過如此設計的再運行時進行代理有個問題——如何在應用程序啓動以後再開啓代理程序呢？ JDK6中提供了Java Tools API，其中Attach API能夠知足這個需求。

Attach API中的VirtualMachine表明一個運行中的VM。其提供了loadAgent()方法，能夠在運行時動態加載一個代理jar。具體須要參考《Attach API》

agentmain實例-打印當前已加載的類

構造agent類

agentmain方式的代理類必須提供agentmain方法：

package loaded;

import java.lang.instrument.Instrumentation;

public class LoadedAgent {
    @SuppressWarnings("rawtypes")
    public static void agentmain(String args, Instrumentation inst){
        Class[] classes = inst.getAllLoadedClasses();
        for(Class cls :classes){
            System.out.println(cls.getName());
        }
    }
}

agentmain方法經過傳入的Instrumentation實例獲取當前系統中已加載的類。

設置MANNIFEST.MF

設置MANIFEST.MF文件，指定Agent-Class:

Manifest-Version: 1.0
Agent-Class: loaded.LoadedAgent
Created-By: 1.6.0_29

綁定到目標VM

將agent類和MANIFEST.MF文件編譯打成loadagent.jar後，因爲agent main方式沒法向pre main方式那樣在命令行指定代理jar，所以須要藉助Attach Tools API。

package attach;

import java.io.IOException;

import com.sun.tools.attach.AgentInitializationException;
import com.sun.tools.attach.AgentLoadException;
import com.sun.tools.attach.AttachNotSupportedException;
import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws AttachNotSupportedException,
            IOException, AgentLoadException, AgentInitializationException {
        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(args[0]);
        vm.loadAgent("/Users/jiangbo/Workspace/code/java/javaagent/loadagent.jar");

    }

}

該程序接受一個參數爲目標應用程序的進程id，經過Attach Tools API的VirtualMachine.attach方法綁定到目標VM，並向其中加載代理jar。

構造目標測試程序

構造一個測試用的目標應用程序：

package attach;

public class TargetVM {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        while(true){
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

這個測試程序什麼都不作，只是不停的sleep。:) 運行該程序，得到進程ID=33902。 運行上面綁定到VM的Test程序，將進程id做爲參數傳入：

java attach.Test 33902

觀察輸出，會打印出系統當前全部已經加載類名

java.lang.NoClassDefFoundError
java.lang.StrictMath
java.security.SignatureSpi
java.lang.Runtime
java.util.Hashtable$EmptyEnumerator
sun.security.pkcs.PKCS7
java.lang.InterruptedException
java.io.FileDescriptor$1
java.nio.HeapByteBuffer
java.lang.ThreadGroup
[Ljava.lang.ThreadGroup;
java.io.FileSystem
。。。

參考文檔

附：agent jar中manifest的屬性

  • Premain-Class: 當在VM啓動時，在命令行中指定代理jar時，必須在manifest中設置Premain-Class屬性，值爲代理類全類名，而且該代理類必須提供premain方法。不然JVM會異常終止。
  • Agent-Class: 當在VM啓動以後，動態添加代理jar包時，代理jar包中manifest必須設置Agent-Class屬性，值爲代理類全類名，而且該代理類必須提供agentmain方法，不然沒法啓動該代理。
  • Boot-Class-Path: Bootstrap class loader加載類時的搜索路徑，可選。
  • Can-Redefine-Classes: true/false；標示代理類是否可以重定義類。可選。
  • Can-Retransform-Classes: true/false；標示代理類是否可以轉換類定義。可選。
  • Can-Set-Native-Prefix::true/false；標示代理類是否須要本地方法前綴，可選。

當一個代理jar包中的manifest文件中既有Premain-Class又有Agent-Class時，若是以命令行方式在VM啓動前指定代理jar，則使用Premain-Class；反之若是在VM啓動後，動態添加代理jar，則使用Agent-Class

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