字节码增强技术之 Java Agent 入门

2022-05-14 09:48:13

前言

分布式链路追踪中为了获取服务之间调用链信息，采集器通常需要在方法的前后做埋点。在 Java 生态中，常见的埋点方式有两种：

  1. 依赖 SDK 手动埋点；
  2. 利用 Java Agent 技术来做无侵入埋点。

我们所熟知的分布式监控系统，是 Zipkin 开始的，最经典的是搞懂 X-B3 Ttrace 协议，使用 Brave SDK，手动埋点生成 Trace。但是 SDK 埋点的方式，对业务代码存在侵入性，当升级埋点时，必须要做代码的变更。

那么如何和业务逻辑解绑呢？
​
Java 还提供了另外一种方式：依赖 Java Agent 技术，修改目标方法的字节码，做到无侵入的埋点。这种利用 Java Agent 的方式的采集器，也叫做探针。在应用程序启动时使用 -javaagent 参数 ，或者运行时使用 attach(pid) 方式，就可以将探针包注入目标应用程序，完成埋点的植入。对业务代码无侵入的方式，可以做到无感的热升级。用户不需要理解深层的原理，就可以使用完整的监控服务

关于字节码的基础知识可以参考美团的这篇文章：

Java Agent 简介

Java Agent 是 Java 1.5 版本之后引⼊的特性，其主要作⽤是在 class 被加载之前对其拦截，已插⼊我们的监听字节码。使用 Java 的Instrumentation 接口（java.lang.instrument）来编写 Agent。

基本的思路是在 JVM 启动的时候添加一个代理（Java Agent），每个代理是一个 Jar 包，其 MANIFEST.MF 文件里指定了代理类，这个代理类包含一个 premain 方法。JVM 在类加载时候会先执行代理类的 premain 方法，再执行 Java 程序本身的 main 方法，这就是 premain 名字的来源。在 premain 方法中可以对加载前的 class 文件进行修改。

这种机制可以认为是虚拟机级别的 AOP，无需对原有应用做任何修改，就可以实现类的动态修改和增强。

从 JDK 1.6 开始支持更加强大的动态 Instrument，在JVM 启动后通过 Attach(pid) 远程加载。
​
注意：

无论是通过 Native 的方式还是通过 Java Instrumentation 接口的方式来编写 Agent，它们的工作都是借助 JVMTI 来进行完成。JVMTI 是一套 Native 接口，在 Java 1.5 之前，要实现一个 Agent 只能通过编写Native 代码来实现。

Java Instrumentation 核心方法

Instrumentation 是 java.lang.instrument 包下的一个接口，这个接口的方法提供了注册类文件转换器、获取所有已加载的类等功能，允许我们在对已加载和未加载的类进行修改，实现 AOP、性能监控等功能。

常用方法：

/**
 * 为 Instrumentation 注册一个类文件转换器，可以修改读取类文件字节码
 */
void addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform);

/**
 * 对JVM已经加载的类重新触发类加载
 */
void retransformClasses(Class<?>... classes) throws UnmodifiableClassException;

/**
 * 获取当前 JVM 加载的所有类对象
 */
Class[] getAllLoadedClasses()

它的 addTransformer 给 Instrumentation 注册一个 transformer，transformer 是 ClassFileTransformer 接口的实例，这个接口就只有一个 transform 方法，调用 addTransformer 设置 transformer 以后，后续 JVM 加载所有类之前都会被这个 transform 方法拦截，这个方法接收原类文件的字节数组，返回转换过的字节数组，在这个方法中可以做任意的类文件改写。
​

public class MyClassTransformer implements ClassFileTransformer {
    @Override
    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classBytes) throws IllegalClassFormatException {
        // 在这里读取、转换类文件
        return classBytes;
    }
}

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Java Agent 核心流程

Java Agent 装载时序图（premain）：
​
字节码增强技术之 Java Agent 入门

Class 装载时序图：

字节码增强技术之 Java Agent 入门

Java Agent 所使用的 Instrumentation 依赖 JVMTI 实现，当然也可以绕过 Instrumentation 直接使用 JVMTI 实现 Agent。JVMTI 与 JDI 组成了 Java 平台调试体系（JPDA）的主要能力。

Java Agent 使⽤

Java Agent 其实就是⼀个特殊的 Jar 包，它并不能单独启动的，而必须依附于一个 JVM 进程，可以看作是 JVM 的一个寄生插件，使用 Instrumentation 的 API 用来读取和改写当前 JVM 的类文，通过 -javaagent:xxx.jar 引⼊⽬标应⽤。
​

那这个Jar 和 普通的 Jar 有什么区别么？

字节码增强技术之 Java Agent 入门

Agent 需要打包成一个jar包，在 Maininfe.MF 属性中指定“Premain-Class”或者“Agent-Class”,且需根据需求定义 Can-Redefine-Classes 和 Can-Retransform-Classes。
​

Java Agent Jar 包 MANIFEST.MF 配置参数：

Manifest-Version: 1.0
#动态 agent 类 
Agent-Class: com.zuozewei.javaagent01.Agent 
#静态 agent 类
Premain-Class: com.zuozewei.javaagent01.Agent
是否允许重复装载
Can-Redefine-Classes: true
Can-Retransform-Classes: true
Created-By: Apache Maven 3.3.9
Build-Jdk: 1.8.0_112

demo 预演

1、创建 POM 项目 Java Agent，项目结构如下：
字节码增强技术之 Java Agent 入门

2、修改 pom 文件：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <parent>
        <artifactId>parent</artifactId>
        <groupId>com.zuozewei</groupId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </parent>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <packaging>jar</packaging>

    <artifactId>javaagent01</artifactId>

    <build>
        <finalName>agent</finalName>

        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-jar-plugin</artifactId>
                <version>2.3.1</version>
                <configuration>
                    <archive>
                        <manifestFile>src/main/resources/META-INF/MANIFEST.MF</manifestFile>
                    </archive>
                </configuration>
            </plugin>

            <plugin>
                <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <outputDirectory>${basedir}</outputDirectory>
                    <archive>
                        <index>true</index>
                        <manifest>
                            <addClasspath>true</addClasspath>
                        </manifest>
                        <manifestEntries>
                            <Premain-Class>com.zuozewei.javaagent01.Agent</Premain-Class>
                        </manifestEntries>
                    </archive>
                    <descriptorRefs>
                        <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
                    </descriptorRefs>
                </configuration>
            </plugin>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <source>1.7</source>
                    <target>1.7</target>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

</project>

​

3、创建 AgentMain 类，实现控制台打印，addTransformer 给 Instrumentation 注册一个 transformer。

package com.zuozewei.javaagent01;

import java.lang.instrument.Instrumentation;

public class Agent {

//    public static void premain(String agentArgs) {
//        System.out.println("我是一个萌萌哒的 Java Agent");
//        try {
//            Thread.sleep(2000L);
//        } catch (InterruptedException e) {
//            e.printStackTrace();
//        }
//    }

    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation)  {

        instrumentation.addTransformer(new ClassFileTransformerDemo());

        System.out.println("7DGroup Java Agent");
    }

}

4、创建 ClassFileTransformerDemo 类，拦截并打印所有类名。

package com.zuozewei.javaagent01;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException;
import java.security.ProtectionDomain;

public class ClassFileTransformerDemo implements ClassFileTransformer {

    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer)  {
        System.out.println("className: " + className);
        if (!className.equalsIgnoreCase("com/zuozewei/Dog")) {
            return null;
        }
        return getBytesFromFile("/Users/zuozewei/IdeaProjects/javaagent/example01/target/classes/com/zuozewei/Dog.class");
    }

    public static byte[] getBytesFromFile(String fileName) {
        File file = new File(fileName);
        try (InputStream is = new FileInputStream(file)) {
            // precondition

            long length = file.length();
            byte[] bytes = new byte[(int) length];

            // Read in the bytes
            int offset = 0;
            int numRead = 0;
            while (offset <bytes.length
                    && (numRead = is.read(bytes, offset, bytes.length - offset)) >= 0) {
                offset += numRead;
            }

            if (offset < bytes.length) {
                throw new IOException("Could not completely read file "
                        + file.getName());
            }
            is.close();
            return bytes;
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("error occurs in _ClassTransformer!"
                    + e.getClass().getName());
            return null;
        }
    }

}

5、定义需要修改的项目 example01
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6、实现需要修改的类的。

main：

package com.zuozewei;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("7DGroup");

        System.out.println(new Dog().hello());
//        System.out.println(new Cat().hello());
    }

}

Dog:

package com.zuozewei;

public class Dog {

    public int hello() {
        return 0;
    }

}

7、运行 example01 的 main 方法：
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​
8、打包 javaagent 项目生成 jar 文件，并将 java 文件同 example01 项目的 jar 放在同一个目录下如上图（放在同一个目录为了方便执行）
​

执行如下命令：

java -jar -javaagent:agent.jar  example.jar

​
实现了我们的功能，执行结果如下：
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总结

本文详细介绍 Java Agent 启动加载实现字节码增强关键技术的实现细节，字节码增强技术为测试人员进行性能监控提供了一种新的思路。目前众多开源监控产品已经提供了丰富的 Java 探针库，作为监控服务的提供者，进一步降低了开发成本，不过开发门槛比较高，对测试人员来说有很大的一部分的学习成本。

源码地址：

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