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Java Agent

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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 的应用场景:

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

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。

我们在父应用中导入两个项目公共依赖的包

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.javassist</groupId>
            <artifactId>javassist</artifactId>
            <version>3.28.0-GA</version>
        </dependency>
    </dependencies>

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,

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";
    @Override
    public 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Exception
                System.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

<build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <version>3.5.1</version>
                <!-- 指定maven编译的jdk版本。若不指定,maven3默认用jdk 1.5 maven2默认用jdk1.3 -->
                <configuration>
                    <source>8</source>
                    <target>8</target>
                </configuration>
            </plugin>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-jar-plugin</artifactId>
                <version>3.2.0</version>
                <configuration>
                    <archive>
                        <!--自动添加META-INF/MANIFEST.MF -->
                        <manifest>
                            <addClasspath>true</addClasspath>
                        </manifest>
                        <manifestEntries>
                            <Menifest-Version>1.0</Menifest-Version>
                            <Premain-Class>com.zhj.agent.RunTimeAgent</Premain-Class>
                            <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
                            <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
                        </manifestEntries>
                    </archive>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

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: 1.0
Premain-Class: com.zhj.agent.RunTimeAgent
Can-Redefine-Classes: true
Can-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

最终效果:

这样就完成了无侵入的代理。

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