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Java|Java Agent (代理)探针技术详情

目录

  • 前言：
  • Java Agent 技术简介
  • Java Agent 功能介绍
  • Java Agent 实现原理
  • Java Agent 案例

前言： Java 中的 Agent 技术可以让我们无侵入性的去进行代理，最常用于程序调试、热部署、性能诊断分析等场景，现如今比较火热的分布式链路追踪项目Skywalking，就是通过探针技术去捕获日志，将数据上报OAP观察分析平台。

Java Agent 技术简介 Java Agent 直译为 Java 代理，也常常被称为 Java 探针技术。
Java Agent 是在 JDK1.5 引入的，是一种可以动态修改 Java 字节码的技术。Java 中的类编译后形成字节码被 JVM 执行，在 JVM 在执行这些字节码之前获取这些字节码的信息，并且通过字节码转换器对这些字节码进行修改，以此来完成一些额外的功能。
Java Agent 是一个不能独立运行 jar 包，它通过依附于目标程序的 JVM 进程，进行工作。启动时只需要在目标程序的启动参数中添加-javaagent 参数添加 ClassFileTransformer 字节码转换器，相当于在main方法前加了一个拦截器。

Java Agent 功能介绍 Java Agent 主要有以下功能：
  • Java Agent 能够在加载 Java 字节码之前拦截并对字节码进行修改;
  • Java Agent 能够在 Jvm 运行期间修改已经加载的字节码;
Java Agent 的应用场景：
  • IDE 的调试功能，例如 Eclipse、IntelliJ IDEA ；
  • 热部署功能，例如 JRebel、XRebel、spring-loaded；
  • 各种线上诊断工具，例如 Btrace、Greys，还有阿里的 Arthas；
  • 各种性能分析工具，例如 Visual VM、JConsole 等；
  • 全链路性能检测工具，例如 Skywalking、Pinpoint等；

Java Agent 实现原理 在了解Java Agent的实现原理之前，需要对Java类加载机制有一个较为清晰的认知。一种是在man方法执行之前，通过premain来执行，另一种是程序运行中修改，需通过JVM中的Attach实现，Attach的实现原理是基于JVMTI。
主要是在类加载之前，进行拦截，对字节码修改
下面我们分别介绍一下这些关键术语：
  • JVMTI 就是JVM Tool Interface，是 JVM 暴露出来给用户扩展使用的接口集合，JVMTI 是基于事件驱动的，JVM每执行一定的逻辑就会触发一些事件的回调接口，通过这些回调接口，用户可以自行扩展
JVMTI是实现 Debugger、Profiler、Monitor、Thread Analyser 等工具的统一基础，在主流 Java 虚拟机中都有实现
  • JVMTIAgent是一个动态库，利用JVMTI暴露出来的一些接口来干一些我们想做、但是正常情况下又做不到的事情，不过为了和普通的动态库进行区分，它一般会实现如下的一个或者多个函数：
    • Agent_OnLoad函数，如果agent是在启动时加载的，通过JVM参数设置
    • Agent_OnAttach函数，如果agent不是在启动时加载的，而是我们先attach到目标进程上，然后给对应的目标进程发送load命令来加载，则在加载过程中会调用Agent_OnAttach函数
    • Agent_OnUnload函数，在agent卸载时调用
  • javaagent 依赖于instrument的JVMTIAgent（Linux下对应的动态库是libinstrument.so），还有个别名叫JPLISAgent(Java Programming Language Instrumentation Services Agent)，专门为Java语言编写的插桩服务提供支持的
  • instrument 实现了Agent_OnLoad和Agent_OnAttach两方法，也就是说在使用时，agent既可以在启动时加载，也可以在运行时动态加载。其中启动时加载还可以通过类似-javaagent:jar包路径的方式来间接加载instrument agent，运行时动态加载依赖的是JVM的attach机制，通过发送load命令来加载agent
  • JVM Attach 是指 JVM 提供的一种进程间通信的功能，能让一个进程传命令给另一个进程，并进行一些内部的操作，比如进行线程 dump，那么就需要执行 jstack 进行，然后把 pid 等参数传递给需要 dump 的线程来执行

Java Agent 案例 我们就以打印方法的执行时间为例，通过Java Agent 来实现。
首先我们需要构建一个精简的Maven项目，在其中构建两个Maven的子项目，一个用于实现外挂的Agent，一个用于实现测试目标程序。
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我们在父应用中导入两个项目公共依赖的包
org.javassistjavassist3.28.0-GA

首先我们去构建测试的目标程序
// 启动类public class APPMain {public static void main(String[] args) {System.out.println("APP 启动！！！"); AppInit.init(); }}// 模拟的应用初始化的类public class AppInit {public static void init() {try {System.out.println("APP初始化中..."); Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); }}}

然后我们启动程序，测试是否能正常执行，程序正常执行之后，我们开始构建探针程序
探针程序中我们需要编写，改变原有class的Transformer，通过自定义的Transformer类完成输出方法执行时间的功能，
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首先构检Agent程序的入口
public class RunTimeAgent {public static void premain(String arg, Instrumentation instrumentation) {System.out.println("探针启动！！！"); System.out.println("探针传入参数：" + arg); instrumentation.addTransformer(new RunTimeTransformer()); }}

这里每个类加载的时候都会走这个方法，我们可以通过className进行指定类的拦截，然后借助javassist这个工具，进行对Class的处理，这里的思想和反射类似，但是要比反射功能更加强大，可以动态修改字节码。
javassist是一个开源的分析、编辑和创建Java字节码的类库。
import javassist.ClassPool; import javassist.CtClass; import javassist.CtMethod; import java.lang.instrument.ClassFileTransformer; import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException; import java.security.ProtectionDomain; public class RunTimeTransformer implements ClassFileTransformer {private static final String INJECTED_CLASS = "com.zhj.test.init.AppInit"; @Overridepublic byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {String realClassName = className.replace("/", "."); if (realClassName.equals(INJECTED_CLASS)) {System.out.println("拦截到的类名：" + realClassName); CtClass ctClass; try {// 使用javassist,获取字节码类ClassPool classPool = ClassPool.getDefault(); ctClass = classPool.get(realClassName); // 得到该类所有的方法实例，也可选择方法，进行增强CtMethod[] declaredMethods = ctClass.getDeclaredMethods(); for (CtMethod method : declaredMethods) {System.out.println(method.getName() + "方法被拦截"); method.addLocalVariable("time", CtClass.longType); method.insertBefore("System.out.println(\"---开始执行---\"); "); method.insertBefore("time = System.currentTimeMillis(); "); method.insertAfter("System.out.println(\"---结束执行---\"); "); method.insertAfter("System.out.println(\"运行耗时: \" + (System.currentTimeMillis() - time)); "); }return ctClass.toBytecode(); } catch (Throwable e) { //这里要用Throwable，不要用ExceptionSystem.out.println(e.getMessage()); e.printStackTrace(); }}return classfileBuffer; }}

我们需要在Maven中配置，编译打包的插件，这样我们就可以很轻松的借助Maven生成Agent的jar包
org.apache.maven.pluginsmaven-compiler-plugin3.5.188org.apache.maven.pluginsmaven-jar-plugin3.2.0true1.0
com.zhj.agent.RunTimeAgenttruetrue

否则我们需要在resources下创建META-INF/MANIFEST.MF文件，文件内容如下，我们可以看出这个与Maven中的配置是一致的，然后通过配置编译器，借助编译器打包成jar包，需指定该文件
Manifest-Version: 1.0Premain-Class: com.zhj.agent.RunTimeAgentCan-Redefine-Classes: trueCan-Retransform-Classes: true

告示文件MANIFEST.MF参数说明：
Manifest-Version
文件版本
Premain-Class
包含 premain 方法的类（类的全路径名）main方法运行前代理
Agent-Class
包含 agentmain 方法的类（类的全路径名）main开始后可以修改类结构
Boot-Class-Path
设置引导类加载器搜索的路径列表。查找类的特定于平台的机制失败后，引导类加载器会搜索这些路径。按列出的顺序搜索路径。列表中的路径由一个或多个空格分开。（可选）
Can-Redefine-Classes true
表示能重定义此代理所需的类，默认值为 false（可选）
Can-Retransform-Classes true
表示能重转换此代理所需的类，默认值为 false （可选）
Can-Set-Native-Method-Prefix true
表示能设置此代理所需的本机方法前缀，默认值为 false（可选）
最后通过Maven生成Agent的jar包，然后修改测试目标程序的启动器，添加JVM参数即可
参数示例：-javaagent:F:\code\myCode\agent-test\runtime-agent\target\runtime-agent-1.0-SNAPSHOT.jar=hello
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最终效果：
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这样就完成了无侵入的代理。
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