Java Instrument 功能使用及原理

0 介绍

利用 java.lang.instrument 做动态 Instrumentation 是 Java SE 5 的新特性,它把 Java 的 instrument 功能从本地代码中解放出来,使之可以用 Java 代码的方式解决问题。使用 Instrumentation,开发者可以构建一个独立于应用程序的代理程序(Agent),用来监测和协助运行在 JVM 上的程序,甚至能够替换和修改某些类的定义。有了这样的功能,开发者就可以实现更为灵活的运行时虚拟机监控和 Java 类操作了,这样的特性实际上提供了 一种虚拟机级别支持的 AOP 实现方式,使得开发者无需对 JDK 做任何升级和改动,就可以实现某些 AOP 的功能了。

在 Java SE 6 里面,instrumentation 包被赋予了更强大的功能:启动后的 instrument、本地代码(native code)instrument,以及动态改变 classpath 等等。这些改变,意味着 Java 具有了更强的动态控制、解释能力,它使得 Java 语言变得更加灵活多变。

在 Java SE6 里面,最大的改变使运行时的 Instrumentation 成为可能。在 Java SE 5 中,Instrument 要求在运行前利用命令行参数或者系统参数来设置代理类,在实际的运行之中,虚拟机在初始化之时(在绝大多数的 Java 类库被载入之前),instrumentation 的设置已经启动,并在虚拟机中设置了回调函数,检测特定类的加载情况,并完成实际工作。但是在实际的很多的情况下,我们没有办法在虚拟机启动之时就为其设定代理,这样实际上限制了 instrument 的应用。而 Java SE 6 的新特性改变了这种情况,通过 Java Tool API 中的 attach 方式,我们可以很方便地 在运行过程中动态地设置加载代理类,以达到 instrumentation 的目的

另外,对 native 的 Instrumentation 也是 Java SE 6 的一个崭新的功能,这使以前无法完成的功能 —— 对 native 接口的 instrumentation 可以在 Java SE 6 中,通过一个或者一系列的 prefix 添加而得以完成

最后,Java SE 6 里的 Instrumentation 也增加了动态添加 class path的功能。所有这些新的功能,都使得 instrument 包的功能更加丰富,从而使 Java 语言本身更加强大。

1 基本功能和用法

JVMTI(Java Virtual Machine Tool Interface)是一套由 Java 虚拟机提供的,为 JVM 相关的工具提供的本地编程接口集合。JVMTI 是从 Java SE 5 开始引入,整合和取代了以前使用的 Java Virtual Machine Profiler Interface (JVMPI) 和 the Java Virtual Machine Debug Interface (JVMDI),而在 Java SE 6 中,JVMPI 和 JVMDI 已经消失了。JVMTI 提供了一套”代理”程序机制,可以支持第三方工具程序以代理的方式连接和访问 JVM,并利用 JVMTI 提供的丰富的编程接口,完成很多跟 JVM 相关的功能

事实上,java.lang.instrument 包的实现,也就是基于这种机制的:在 Instrumentation 的实现当中,存在一个 JVMTI 的代理程序,通过调用 JVMTI 当中 Java 类相关的函数来完成Java 类的动态操作。除开 Instrumentation 功能外,JVMTI 还在虚拟机内存管理,线程控制,方法和变量操作等等方面提供了大量有价值的函数

1.1 VM启动前设置Instrument

Instrumentation 的最大作用,就是类定义动态改变和操作。在 Java SE 5 及其后续版本当中,开发者可以在一个普通 Java 程序(带有 main 函数的 Java 类)运行时,通过 -javaagent参数指定一个特定的 jar 文件(包含 Instrumentation 代理)来启动 Instrumentation 的代理程序

  1. redefineClasses 的功能比较强大,可以批量转换很多类。

1.2 VM启动后动态Instrument

在 Java SE 5 当中,开发者只能在 premain 当中施展想象力,所作的 Instrumentation 也仅限与 main 函数执行前,这样的方式存在一定的局限性

在 Java SE 5 的基础上,Java SE 6 针对这种状况做出了改进,开发者可以在 main 函数开始执行以后,再启动自己的 Instrumentation 程序

在 Java SE 6 的 Instrumentation 当中,有一个跟 premain“并驾齐驱”的“agentmain”方法,可以在 main 函数开始运行之后再运行。跟 premain 函数一样, 开发者可以编写一个含有“agentmain”函数的 Java 类:

同样,[1] 的优先级比 [2] 高,将会被优先执行。跟 premain 函数一样,开发者可以在 agentmain 中进行对类的各种操作。其中的 agentArgs 和 Inst 的用法跟 premain 相同。

与“Premain-Class”类似,开发者必须在 manifest 文件里面设置“Agent-Class”来指定包含 agentmain 函数的类。

可是,跟 premain 不同的是,agentmain 需要在 main 函数开始运行后才启动,这样的时机应该如何确定呢,这样的功能又如何实现呢?

在 Java SE 6 文档当中,开发者也许无法在 java.lang.instrument 包相关的文档部分看到明确的介绍,更加无法看到具体的应用 agnetmain 的例子。不过,在 Java SE 6 的新特性里面,有一个不太起眼的地方,揭示了 agentmain 的用法。这就是 Java SE 6 当中提供的 Attach API

Attach API 不是 Java 的标准 API,而是 Sun 公司提供的一套扩展 API,用来向目标 JVM ”附着”(Attach)代理工具程序的。有了它,开发者可以方便的监控一个 JVM,运行一个外加的代理程序

1.3 本地方法Instrument

在 JDK 1.5 版本的 instumentation 里,并没有对Java本地方法(Native Method)的处理方式,而且在 Java 标准的 JVMTI 之下,并没有办法改变 method signature, 这就使替换本地方法非常地困难。一个比较直接而简单的想法是,在启动时替换本地代码所在的动态链接库—— 但是这样,本质上是一种静态的替换,而不是动态的 Instrumentation。而且,这样可能需要编译较大数量的动态链接库 —— 比如,我们有三个本地函数,假设每一个都需要一个替换,而在不同的应用之下,可能需要不同的组合,那么如果我们把三个函数都编译在同一个动态链接库之中,最多我们需要 8 个不同的动态链接库来满足需要。当然,我们也可以独立地编译之,那样也需要 6 个动态链接库——无论如何,这种繁琐的方式是不可接受的。

在 Java SE 6 中,新的 Native Instrumentation 提出了一个新的 native code 的解析方式,作为原有的 native method 的解析方式的一个补充,来很好地解决了一些问题。这就是在新版本的 java.lang.instrument 包里,我们拥有了对 native 代码的 instrument 方式 —— 设置 prefix

假设我们有了一个 native 函数,名字叫 nativeMethod,在运行过程中,我们需要将它指向另外一个函数(需要注意的是,在当前标准的 JVMTI 之下,除了 native 函数名,其他的 signature 需要一致)。比如我们的 Java 代码是:

很有趣不是吗?因此如果我们要做类似的工作,一个很好的建议是首先在 Java 中写一个带 prefix 的 native 接口,用 javah 工具生成一个 c 的 header-file,看看它实际解析得到的函数名是什么,这样我们就可以避免一些不必要的麻烦

另外一个事实是,与我们的想像不同,对于两个或者两个以上的 prefix,虚拟机并不做更多的解析;它不会试图去掉某一个 prefix,再来组装函数接口。它做且仅作两次解析

总之,新的 native 的 prefix-instrumentation 的方式,改变了以前 Java 中 native 代码无法动态改变的缺点。在当前,利用 JNI 来写 native 代码也是 Java 应用中非常重要的一个环节,因此它的动态化意味着整个 Java 都可以动态改变了 —— 现在我们的代码可以利用加上 prefix 来动态改变 native 函数的指向,正如上面所说的,如果找不到,虚拟机还会去尝试做标准的解析,这让我们拥有了动态地替换 native 代码的方式,我们可以将许多带不同 prefix 的函数编译在一个动态链接库之中,而通过 instrument 包的功能,让 native 函数和 Java 函数一样动态改变、动态替换。 当然,现在的 native 的 instrumentation 还有一些限制条件,比如,不同的 transformer 会有自己的 native prefix,就是说,每一个 transformer 会负责他所替换的所有类而不是特定类的 prefix —— 因此这个粒度可能不够精确。

1.4 BootClassPath / SystemClassPath 的动态增补

我们知道,通过设置系统参数或者通过虚拟机启动参数,我们可以设置一个虚拟机运行时的 boot class 加载路径(-Xbootclasspath)和 system class(-cp)加载路径。当然,我们在运行之后无法替换它。然而,我们也许有时候要需要把某些 jar 加载到 bootclasspath 之中,而我们无法应用上述两个方法;或者我们需要在虚拟机启动之后来加载某些 jar 进入 bootclasspath。在 Java SE 6 之中,我们可以做到这一点了。

实现这几点很简单,首先,我们依然需要确认虚拟机已经支持这个功能,然后在 premain/agantmain 之中加上需要的 classpath。我们可以在我们的 Transformer 里使用 appendToBootstrapClassLoaderSearch/appendToSystemClassLoaderSearch来完成这个任务

同时我们可以注意到,在 agent 的 mainfest 里加入 Boot-Class-Path 其实一样可以在动态地载入 agent 的同时加入自己的 boot class 路径,当然,在 Java code 中它可以更加动态方便和智能地完成 —— 我们可以很方便地加入判断和选择成分。

在这里我们也需要注意几点:

  1. 首先,我们加入到 classpath 的 jar 文件中不应当带有任何和系统的 instrumentation 有关的系统同名类,不然,一切都陷入不可预料之中 —— 这不是一个工程师想要得到的结果,不是吗?
  2. 其次,我们要注意到虚拟机的 ClassLoader 的工作方式,它会记录解析结果。比如,我们曾经要求读入某个类 someclass,但是失败了,ClassLoader 会记得这一点。即使我们在后面动态地加入了某一个 jar,含有这个类,ClassLoader 依然会认为我们无法解析这个类,与上次出错的相同的错误会被报告。
  3. 再次我们知道在 Java 语言中有一个系统参数“java.class.path”,这个 property 里面记录了我们当前的 classpath,但是,我们使用这两个函数,虽然真正地改变了实际的 classpath,却不会对这个 property 本身产生任何影响。

在公开的 JavaDoc 中我们可以发现一个很有意思的事情,Sun 的设计师们告诉我们,这个功能事实上依赖于 ClassLoader 的 appendtoClassPathForInstrumentation 方法 —— 这是一个非公开的函数,因此我们不建议直接(使用反射等方式)使用它,事实上,instrument 包里的这两个函数已经可以很好的解决我们的问题了

1.5 META-INF/MAINIFEST.MF清单

以下是agent jar文件的Manifest Attributes清单:

原文发布于微信公众号 - IT技术精选文摘(ITHK01)

原文发表时间:2018-04-09

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