JVMTI开发教程之一个简单的Agent

待我称王封你为后i 2022-05-28 08:30 103阅读 0赞

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### 概述 ###

JVM TI是JDK提供的一套用于开发JVM监控, 问题定位与性能调优工具的通用编程接口（API）。  
通过JVMTI，我们可以开发各式各样的JVMTI Agent。这个Agent的表现形式是一个以c/c++语言编写的动态共享库。

JVMTI Agent原理: java启动或运行时，动态加载一个外部基于JVM TI编写的dynamic module到Java进程内，然后触发JVM源生线程Attach Listener来执行这个dynamic module的回调函数。在函数体内，你可以获取各种各样的VM级信息，注册感兴趣的VM事件，甚至控制VM的行为。

JVMTI从功能上大致可以分为4类：  
  
1. Heap  
获取所有类的信息，对象信息，对象引用关系，Full GC开始/结束，对象回收事件等。

2. 线程与堆栈  
获取所有线程的信息，线程组信息，控制线程（start,suspend,resume,interrupt…）, Thread Monitor(Lock)，得到线程堆栈，控制出栈，方法强制返回，方法栈本地变量等。

3. Class & Object & Method & Field 元信息  
class信息，符号表，方法表，redefine class（hotswap）, retransform class，object信息，fields信息，method信息等。

4. 工具类  
线程cpu消耗，classloader路径修改，系统属性获取等。

开发jvm ti agent，简单的来讲，就是开发一个c/c++的共享库。在windows下后缀是dll，linux/unix下是so，mac下就是dylib。所以我们创建工程和编译环境的时候，记得以共享库(share library)的形式来构建。

### JVMTI的启动方式 ###

JVMTI有两种启动方式，第一种是随java进程启动时，自动载入共享库，下文简称方式A。另一种方式是，java运行时，通过attach api动态载入，下文简称方式B。

方式A的实现方式是通过在java启动时传递一个特殊的option，例子如下：

> java -agentlib:<agent-lib-name>=<options> Sample  
> 注意，这里的共享库路径是环境变量路径，例如 java -agentlib:foo=opt1,opt2，java启动时会从linux的LD\_LIBRARY\_PATH或windows的PATH环境变量定义的路径处装载foo.so或foo.dll，找不到则抛异常
> 
> java -agentpath:<path-to-agent>=<options> Sample  
> 这是以绝对路径的方式装载共享库，例如 java -agentpath:/home/admin/agentlib/foo.so=opt1,opt2

方式B的实现方式是通过attach api，这是一套纯java的api，它负责动态地将dynamic module attach到指定进程id的java进程内并触发回调。例子如下：

import java.io.IOException;
    import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;
    
    public class VMAttacher {
       
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
       
    	 // args[0]为java进程id
             VirtualMachine virtualMachine = com.sun.tools.attach.VirtualMachine.attach(args[0]);
             // args[1]为共享库路径，args[2]为传递给agent的参数
             virtualMachine.loadAgentPath(args[1], args[2]);
             virtualMachine.detach();
        }
    
    }

Attach API位于$JAVA\_HOME/lib/tools.jar，所以在编译时，需要将这个jar放入classpath。例如

javac -cp $JAVA_HOME/lib/tools.jar VMAttacher.java

### 准备开发JVMTI Agent ###

1. jvmti头文件搜索路径  
c/c++应用程序都会用到头文件，为了让共享库编译时能找到jvmti的头文件，我们需要添加2个路径到Includes。  
一个指向到$JAVA\_HOME/include，另一个指向到$JAVA\_HOME/include/linux，windows下为$JAVA\_HOME/include/windows  
例如：

g++ -I/home/kenwu/jdk1.6.0_24/include?-I/home/kenwu/jdk1.6.0_24/include/linux

上面是以命令行方式编译，如果你使用的是IDE，请在相应位置添加Includes.

2. 源码引入jvmti.h头文件  
jvmti.h头文件里包含了所有jvm ti要用到的数据结构和回调函数定义。

#include <jvmti.h>

3. 确定JVMTI的启动方式，引入回调函数  
方式A引入的回调函数如下：

JNIEXPORT jint JNICALL
    Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *options, void *reserved)

方式B引入的回调函数如下：

JNIEXPORT jint JNICALL
    Agent_OnAttach(JavaVM *jvm, char *options, void *reserved) {

卸载共享库时的回调函数(通用)：

JNIEXPORT void JNICALL Agent_OnUnload(JavaVM *vm)

我们可以看到，方式A和方式B提供的回调函数，参数是一样的。

三个参数分别是 jvm, options, reserved.  
jvm变量是JVM传递给共享库的上下文。通过jvm变量，我们可以创建jvmti环境上下文。需要注意的是，jvmti上下文不同于jvm上下文，这从jvm变量类型定义的函数上可以看出。  
options是外部传入的参数。比如前面例子里给的 opt1, opt2，它仅仅是一个字符串。  
reserved，这是一个预留参数，我们不必关心它。

### 开发一个简单的JVMTI Agent ###

下面，给大家演示开发一个的简单Agent.  
功能是打印jvm内所有已经装载成功的class签名。

Agent代码：

/*
     * Just a simple agent using JVMTI.
     *
     *  Created on: 2011-3-3
     *      Author: kenwu
     */
    #include <jvmti.h>
    #include <string>
    #include <cstring>
    #include <iostream>
    #include <list>
    #include <map>
    #include <set>
    #include <stdlib.h>
    #include <jni_md.h>
    
    JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnAttach(JavaVM *jvm, char *options,
    		void *reserved) {
       
    	jvmtiEnv *jvmti;
    	jint result = jvm->GetEnv((void **) &jvmti, JVMTI_VERSION_1_1);
    	if (result != JNI_OK) {
       
    		printf("ERROR: Unable to access JVMTI!\n");
    	}
    	jvmtiError err = (jvmtiError) 0;
    	jclass *classes;
    	jint count;
    
    	err = jvmti->GetLoadedClasses(&count, &classes);
    	if (err) {
       
    		printf("ERROR: JVMTI GetLoadedClasses failed!\n");
    	}
    	for (int i = 0; i < count; i++) {
       
    		char *sig;
    		jvmti->GetClassSignature(classes[i], &sig, NULL);
    		printf("cls sig=%s\n", sig);
    	}
    	return err;
    }
    
    JNIEXPORT void JNICALL Agent_OnUnload(JavaVM *vm) {
       
    	// nothing to do
    }

完成Agent源码的编写后，我们来编译它。

BASE_HOME=`pwd`
    INCLUDES="-I$JAVA_HOME/include -I$JAVA_HOME/include/linux"
    g++ $BASE_HOME/src/agent.cpp $INCLUDES -Wall -Wno-deprecated -fPIC --share -o $BASE_HOME/libtestagent.so

例子中的 BASE\_HOME 为笔者的工程根目录，请自行替换。

编译完后，我们需要准备一个java进程的Attach工具类。最简单的实现方式，就是直接写一个带main的java application。  
笔者将上文中提到的VMAttacher例子稍做了一下修改：

import java.io.IOException;
    import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;
    
    public class TestAgentVMAttacher {
       
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
       
             String pid = "12345"; // 12345改成你想attach的java进程id
             String agentPath = "/path_to_agent"; // path_to_agent为你编译的agent的路径
             VirtualMachine virtualMachine = com.sun.tools.attach.VirtualMachine.attach(pid);
             virtualMachine.loadAgentPath(agentPath, null);
             virtualMachine.detach();
        }
    
    }

最后，运行这个java application。如果你的console能看到如下输出，说明agent load并运行成功：

> cls sig=Lsun/jkernel/DownloadManager$1;  
> cls sig=Lsun/nio/cs/StandardCharsets$Cache;  
> cls sig=Lsun/misc/URLClassPath;  
> cls sig=Ljava/nio/HeapCharBuffer;  
> cls sig=Lsun/nio/ByteBuffered;  
> cls sig=Ljava/lang/StringCoding$StringDecoder;  
> cls sig=Ljava/lang/reflect/Modifier;  
> cls sig=Ljava/util/Collections;  
> ….

PS：灵活使用Attach API，还可以实现更多高级的功能，在本文中不再赘述。

### 总结 ###

通过本文的学习，你了解了JVMTI，学会了如何配置JVMTI开发环境，并在自己搭建的环境中开发了一个简单的打印所有已装载class签名的agent。

在下一节中，我们将深入到JVMTI Heap相关的各个函数，利用这些函数实现一个多功能的堆内存分析程序。

转自：https://blog.csdn.net/yczz/article/details/39034223