目录
- 一、前言
- 二、系统环境
- 三、技术目标
- 四、实现过程
- 1. 搭建字节码框架
- 2. 获取方法返回值
- 3. 输出方法返回值
- 4. 给方法加上TryCatch
- 5. 输出异常信息
- 1. 搭建字节码框架
- 五、测试验证
- 六、总结
- 七、彩蛋
一、前言
一套系统是否稳定运行，取决于它的运行健康度，而这包括；调用量、可用率、响应时长以及服务器性能等各项指标的一个综合值。并且在系统出现异常问题时，可以抓取整个业务方法执行链路并输出；当时的入参、出参、异常信息等等。当然还包括一些JVM、Redis、Mysql的各项性能指标，以用于快速定位并解决问题。
那么要做到这样的事情有什么监控方案呢，这里面的做法比较多。比如；
- 最简单粗暴的可能就是硬编码在方法中，收取执行耗时以及出入参和异常信息。但这样的成本实在太大，而且有一些不可预估的风险。
- 可以选择切面方式做一套统一监控的组件，相对来说还是好一些的。但也需要硬编码，同时维护成本不低。
- 市面上对于这样的监控其实是有整套的非入侵监控方案的，比如；
Google Dapper、Zipkin等都可以实现，他们都是基于探针技术非入侵的采用字节码增强的方式进行监控。
好，那么这样非入侵的探针方式是怎么实现的呢？如何去做方法的字节码增强？
在字节码增强方面有三个框架；ASM、Javassist、ByteCode，各有优缺点按需选择。这在我们之前的字节码编程文章里也有所提到。
本文主要讲解关于 ASM 方式的字节码增强，接下来的案例会逐步讲解一个给方法添加 TryCatch 块，用于采集异常信息以及正常的出参结果的流程。
「一步步向你展示通过指令码来改写你的方法！」
二、系统环境
- jdk1.8.0
- asm-commons 6.2.1
三、技术目标
通过 ASM 字节码增强技术，使用指令码将方法修改为我们想要的效果。这部分原本需要使用 JavaAgent 技术，在工程启动加载时候进行修改字节码。这里为了将关于字节码核心内容展示出来，通过加载类名称获取字节码进行修改。
❝这是修改之前的方法
❞
public Integer strToNumber(String str) { return Integer.parseInt(str); }
❝这是修改之后的方法
❞
public Integer strToNumber(String str) { try { Integer var2 = Integer.parseInt(str); MethodTest.point("org.itstack.test.MethodTest$Test.strToNumber", var2); return var2; } catch (Exception var3) { MethodTest.point("org.itstack.test.MethodTest$Test.strToNumber", var3); throw var3; } }
从修改前到修改后，可以看到。有如下几点修改；
- 返回值赋值给新的参数，并做了输出
- 把方法包裹在一个
TryCatch中，并将异常也做了输出
好！如果你有很敏锐的嗅觉，或者很多小问号。那么你是否会想到如果使用到你自己的业务中，是不是就可以做一套非入侵的监控系统了？之后升职加薪
四、实现过程
字节码增强的过程乍一看还是比较麻烦的，如果你没有阅读过JVM虚拟机规范等相关书籍，确实很不好理解。但是也就是这部分不那么容易理解的知识，才是你后续价值的体现。
接下来我会一步步的带着你通过字节码增强的方式，来实现我们的监控需求。最终的完整的代码，可以通过关注「公众号」：bugstack虫洞栈 回复源码获取(ASM字节码编程)。
1. 搭建字节码框架
/** * 字节码增强获取新的字节码 */ private byte[] getBytes(String className) throws IOException { ClassReader cr = new ClassReader(className); ClassWriter cw = new ClassWriter(cr, ClassWriter.COMPUTE_MAXS); cr.accept(new ClassVisitor(ASM5, cw) { public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature, String[] exceptions) { // 方法过滤 if (!"strToNumber".equals(name)) return super.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions); MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions); return new AdviceAdapter(ASM5, mv, access, name, descriptor) { // 方法进入时修改字节码 protected void onMethodEnter() {} // 访问局部变量和操作数栈 public void visitMaxs(int maxStack, int maxLocals) {} // 方法退出时修改字节码 protected void onMethodExit(int opcode) {} }; } }, ClassReader.EXPAND_FRAMES); return cw.toByteArray(); }
以上这段代码就是 ASM 用于处理字节码增强的模版代码块。首先他会分别创建 ClassReader、ClassWriter，用于对类的加载和写入，这里的加载方式在构造方法中也提供的比较丰富。可以通过类名、字节码或者流的方式进行处理。
接下来是对方法的访问 MethodVisitor ，基本所有使用 ASM 技术的监控系统，都会在这里来实现字节码的注入。这里面目前用到了三个方法的，如下；
-
onMethodEnter方法进入时设置一些基本内容，比如当前纳秒用于后续监控方法的执行耗时。还有就是一些Try块的开始。 -
visitMaxs这个是在方法结束前，用于添加Catch块。到这也就可以将整个方法进行包裹起来了。 -
onMethodExit最后是这个方法退出时，用于RETURN之前，可以注入结尾的字节码加强，比如调用外部方法输出监控信息。
基本上所有的 ASM 字节码增强操作，都离不开这三个方法。下面我就一步步来用指令将方法改造。
2. 获取方法返回值
「这是一个被测试的方法；」
public Integer strToNumber(String str) { return Integer.parseInt(str); }
「编写指令」
这个 onMethodExit 方法就是我们上面提到的字节码编写框架中的内容，在里面添加具体的字节码指令。
@Override protected void onMethodExit(int opcode) { if ((IRETURN <= opcode && opcode <= RETURN) || opcode == ATHROW) { int nextLocal = this.nextLocal; mv.visitVarInsn(ASTORE, nextLocal); // 将栈顶引用类型值保存到局部变量indexbyte中。 mv.visitVarInsn(ALOAD, nextLocal); // 从局部变量indexbyte中装载引用类型值入栈。 } }
-
「this.nextLocal」，获取局部变量的索引值。这个值就让局部变量最后的值，也就是存放
ARETURN的值(ARETURN，是返回对象类型，如果是返回int则需要使用 IRETURN)。 - 「ASTORE」，将栈顶引用类型值保存到局部变量indexbyte中。这里就是把返回的结果，保存到局部变量。在你头脑中可以想象这有两块区域，一个是局部变量、一个是操作数栈。他们不断的进行压栈和操作。
- 「ALOAD」，从局部变量indexbyte中装载引用类型值入栈。现在再将这个值放到操作数栈用，用于一会输出使用。
「被初次增强后的方法；」
public Integer strToNumber(String str) { Integer var2 = Integer.parseInt(str); return var2; }
- 首先可以看到，原本的返回值被赋值到一个参数上，之后再由
return将参数返回。这样也就可以让我们拿到了方法出参var2进行输出操作。
3. 输出方法返回值
在上面我们已经将返回内容赋值给参数，那么在 return 之前，我们就可以在添加一个方法来输出方法信息和出参了。
「定义输出结果方法；」
public static void point(String methodName, Object response) { System.out.println("系统监控 :: [方法名称：" + methodName + " 输出信息：" + JSON.toJSONString(response) + "]\r\n"); }
接下来我们使用字节码增强的方式来调用这个静态方法。
@Override protected void onMethodExit(int opcode) { if ((IRETURN <= opcode && opcode <= RETURN) || opcode == ATHROW) { ... mv.visitLdcInsn(className + "." + name); // 类名.方法名 mv.visitVarInsn(ALOAD, nextLocal); mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, Type.getInternalName(MethodTest.class), "point", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/Object;)V", false); } }
- 「mv.visitLdcInsn(className + "." + name);」，常量池中的常量值（int, float, string reference, object reference）入栈。也就是我们把类名和方法名，写到常量池中。
- 「mv.visitVarInsn(ALOAD, nextLocal);」，将上面我们提到的返回值加载到操作数栈。
-
「mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, Type.getInternalName(MethodTest.class), "point", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/Object;)V", false);」，调用静态方法。
INVOKESTATIC是调用指令，后面是方法的地址、方法名、方法描述。 -
(Ljava/lang/String;Ljava/lang/Object;)V，表示String和Object类型的入参，V是返回空。整体看也就是我们的方法；void point(String methodName, Object response)
「再次被增强后的方法；」
public Integer strToNumber(String str) { Integer var2 = Integer.parseInt(str); point("org.itstack.test.MethodTest.strToNumber", var2); return var2; }
- 在字节码增强后的方法，每次调用这个方法都会输出方法的名称和出参结果。可能还有一个问题就是，如果抛异常了，那么就监控不到了！
4. 给方法加上TryCatch
如果需要抓住方法的异常信息并输出，那么就需要给原有的方法包上一层 TryCatch 捕获异常。接下来我们开始完成这样的指令码操作。
「添加 TryCatch 开始」
private Label from = new Label(), to = new Label(), target = new Label(); @Override protected void onMethodEnter() { //标志：try块开始位置 visitLabel(from); visitTryCatchBlock(from, to, target, "java/lang/Exception"); }
- 在
onMethodEnter()中，加入TryCatch开始块，在部分在ASM中固定的模式，按照需求添加即可。
「添加 TryCatch 结尾」
@Override public void visitMaxs(int maxStack, int maxLocals) { //标志：try块结束 mv.visitLabel(to); //标志：catch块开始位置 mv.visitLabel(target); mv.visitFrame(Opcodes.F_SAME1, 0, null, 1, new Object[]{"java/lang/Exception"}); // 异常信息保存到局部变量 int local = newLocal(Type.LONG_TYPE); mv.visitVarInsn(ASTORE, local); // 抛出异常 mv.visitVarInsn(ALOAD, local); mv.visitInsn(ATHROW); super.visitMaxs(maxStack, maxLocals); }
- 在
visitMaxs方法中完成TryCatch的结尾，包住异常请抛出。 -
mv.visitFrame(Opcodes.F_SAME1, 0, null, 1, new Object[]{"java/lang/Exception"});，在指定方法操作数栈中将TryCatch处理完成。这里面的几个参数也可以动态拼装；局部变量、参数、栈、异常。 -
ASTORE，将异常信息保存到局部变量，并使用指定ALOAD放到操作数栈，用于抛出。 -
ATHROW，最后是抛出异常的指令，也就是throw var;
「这次增强后的方法；」
public Integer strToNumber(String str) { try { Integer var2 = Integer.parseInt(str); point("org.itstack.test.MethodTest.strToNumber", var2); return var2; } catch (Exception var3) { throw var3; } }
- 这时离我们要的内容越来越近了，整个方法被包装到一个
TryCatch中，并按照需要输出我们的信息。接下来就需要将异常信息，打印出来。
5. 输出异常信息
在我们使用 ASM 字节码增强后，已经可以将方法拓展的非常的适合于监控了。接下来我们定义一个静态方法，用于输出异常信息；
「定义输出异常方法；」
public static void point(String methodName, Throwable throwable) { System.out.println("系统监控 :: [方法名称：" + methodName + " 异常信息：" + throwable.getMessage() + "]\r\n"); }
接下来的事情就很简单了，只需要在抛出异常的指令中，把调用外部方法的内容集成进去就可以了。
@Override public void visitMaxs(int maxStack, int maxLocals) { ... // 输出信息 mv.visitLdcInsn(className + "." + name); // 类名.方法名 mv.visitVarInsn(ALOAD, local); mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, Type.getInternalName(MethodTest.class), "point", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/Throwable;)V", false); ... }
- 这一部分主要体现将异常信息进行输出，通过字节码指令来实现调用外部方法。
-
mv.visitLdcInsn，加载常量。也就是类名和方法名。 -
ALOAD，将异常信息加载到操作数栈用，用于输出。 -
INVOKESTATIC，调用静态方法。调用方法除了这个指令外还有；invokespecial、invokevirtual、invokeinterface。
「现在再看字节码增强后的方法；」
public Integer strToNumber(String str) { try { Integer var2 = Integer.parseInt(str); point("org.itstack.test.MethodTest.strToNumber", (Object)var2); return var2; } catch (Exception var3) { point("org.itstack.test.MethodTest.strToNumber", (Throwable)var3); throw var3; } }
好！到这我们已经将这个方法彻底的通过字节码改造完成，可以非常方便的监控异常信息。对用外部输出的方法，后续可以通过 MQ 等机制推送出去，用于图表展示监控信息。
五、测试验证
这是一个字符串转换成数字类型的方法，我们通过调用传输不同的参数进行验证。比如；数字类型字符串和非数字类型字符串。
另外这里是我们通过字节码增强的方式进行改造方法，改造后这个方法反馈给我们的仍然是字节码，所以需要使用到 ClassLoader 进行加载到执行。
「测试方法；」
public static void main(String[] args) throws Exception { // 方法字节码增强 byte[] bytes = new MethodTest().getBytes(MethodTest.class.getName()); // 输出方法新字节码 outputClazz(bytes, MethodTest.class.getSimpleName()); // 测试方法 Class<?> clazz = new MethodTest().defineClass("org.itstack.test.MethodTest", bytes, 0, bytes.length); Method queryUserInfo = clazz.getMethod("strToNumber", String.class); // 正确入参；测试验证结果输出 Object obj01 = queryUserInfo.invoke(clazz.newInstance(), "123"); System.out.println("01 测试结果：" + obj01); // 异常入参；测试验证打印异常信息 Object obj02 = queryUserInfo.invoke(clazz.newInstance(), "abc"); System.out.println("02 测试结果：" + obj02); }
「输出结果；」
ASM字节码增强后类输出路径：/User/itstack/git/github.com/WormholePistachio/SQM/target/test-classes/MethodTestSQM.class 系统监控 :: [方法名称：org.itstack.test.MethodTest.strToNumber 输出信息：123] 01 测试结果：123 系统监控 :: [方法名称：org.itstack.test.MethodTest.strToNumber 异常信息：For input string: "abc"] Process finished with exit code 1
ASM字节码增强，演示效果
六、总结
- 通过字节码指令控制代码的编写注入，是不是很酷？完成功能的同时，逐步也解了
JVM虚拟机。至少不向以前那样只是去硬背一些理论，而是彻底的实践了。不要感觉这很难，嗯！ - 在逐步的了解字节码编程后，你会在很多的场景领域中建设出高级的玩法。甚至去翻看源码也能更加容易阅读理解，并把这技巧复用给自己其他系统。
- 比如我们常用的非入侵的监控系统，全链路监控，以及一些反射框架中，其实都用到了
ASM，只是还没有注意到而已。最终多学习一些延申拓展的知识，关于这些技巧可以阅读JVM虚拟机规范，也可以阅读ASM文档；asm.itstack.org
七、彩蛋
最近将个人原创代码库资源整理出一份 wiki 文档，同时逐步将各类案例汇总集中，方便获取。