Java Instrument 功能使用及原理

约定不等于承诺〃 2022-05-27 01:05 162阅读 0赞

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# 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**。

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

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## 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：

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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**。

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## 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：

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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：**

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