JDK1.6“新“特性Instrumentation之JavaAgent(推荐)

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JDK1.6“新“特性Instrumentation之JavaAgent(推荐)

大火yzs   2020-08-03 我要评论

本文着重讲解了JDK1.6“新“特性Instrumentation之JavaAgent,本文为大家做详细介绍，希望能够帮助到您，欢迎大家阅读和收藏

简介

Java Agent是在JDK1.5以后，我们可以使用agent技术构建一个独立于应用程序的代理程序（即为Agent），用来协助监测、运行甚至替换其他JVM上的程序。使用它可以实现虚拟机级别的AOP功能。

Agent分为两种，一种是在主程序之前运行的Agent，一种是在主程序之后运行的Agent（前者的升级版，1.6以后提供）。

JavaAgent的作用Agent给我们程序带来的影响.jpg

Java-Agent

使用Agent-premain方法影响的程序效果图.jpg

image-20200802151946748

使用Agent-agentmain方法影响的程序效果图.jpg

image-20200802153238246

JavaAgent相关的API

在java.lang.instrument包下 给我们提供了相关的API

而最为主要的就是Instrumentation这个接口中的几个方法

image-20200802151335773

public interface Instrumentation {
 
 /**
 * 添加Transformer(转换器) 
 * ClassFileTransformer类是一个接口，通常用户只需实现这个接口的 byte[] transform()方法即可；
 * transform这个方法会返回一个已经转换过的对象的byte[]数组
 * @param transformer  拦截器
 * @return canRetransform 是否能重新转换
 */
 	void addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform); 

 /**
 * 重新触发类加载，
 * 该方法可以修改方法体、常量池和属性值，但不能新增、删除、重命名属性或方法，也不能修改方法的签名
 * @param classes  Class对象
 * @throws UnmodifiableClassException 异常
 */
 void retransformClasses(Class<?>... classes) throws UnmodifiableClassException;

 /**
 * 直接替换类的定义
 * 重新转换某个对象,并已一个新的class格式，进行转化。
 * 该方法可以修改方法体、常量池和属性值，但不能新增、删除、重命名属性或方法，也不能修改方法的签名
 * @param definitions  ClassDefinition对象[Class定义对象]
 * @throws ClassNotFoundException,UnmodifiableClassException 异常
 */
 void redefineClasses(ClassDefinition... definitions)throws ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException;

 /**
 * 获取当前被JVM加载的所有类对象
 * @return Class[] class数组
 */
 Class[] getAllLoadedClasses();
}

后面我们会在代码中具体用到这些方法。再详细说明。

JavaAgent-premain方法1-初探效果：

实现main方法前执行业务逻辑

Agent1.java

public class Agent1 {
 public static void premain(String agent){
 System.out.println("Agent1 premain :" + agent);
 }
}

Demo1.java

public class Demo1 {

 /**
 * VM参数
 * -javaagent:D:\desktop\text\code\mycode\JavaAgentDemo\agent\target/agent.jar=input
 * */
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 System.out.println("demo1");
 }
}

resources/META-INF/MANIFEST.MF

Manifest-Version: 1.0
Archiver-Version: Plexus Archiver
Built-By: dahuoyzs
Created-By: Apache Maven 3.6.0
Build-Jdk: 1.8.0_171
Premain-Class: cn.bigfire.Agent1
Can-Retransform-Classes: true

运行效果

Agent1 premain :input
demo1

JavaAgent-premain方法2-实现修改代码逻辑效果：

实现 修改 程序源代码 hello -> hello agented

Agent2.java

public class Agent2 {
 /**
 * 可以运行在main方法启动前
 * @param agent  输入的参数
 * @param instrumentation  输入的参数
 */
 public static void premain(String agent, Instrumentation instrumentation){
 System.out.println("Agent2 premain 2param :" + agent);
 instrumentation.addTransformer(new ConsoleTransformer(),true);
 }

}

ConsoleTransformer.java

public class ConsoleTransformer implements ClassFileTransformer {
 @Override
 public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
 if (className.equals("cn/bigfire/Console")){
  String root = StrUtil.subBefore(System.getProperty("user.dir"), "JavaAgentDemo", true);
  String classFile = root + "JavaAgentDemo/agent/src/main/resources/Console.class";
  return FileUtil.readBytes(classFile);
 }
 return classfileBuffer;
 }
}

Demo2.java

public class Demo2 {

 /**
 * VM参数
 * -javaagent:D:\desktop\text\code\mycode\JavaAgentDemo\agent\target/agent.jar=input
 * */
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 new Thread(()->{
  while (true){
  Console.hello();// public static void hello(){System.out.println("hello"); }
  ThreadUtil.sleep(2000);
  }
 }).start();
 }
}

resources/META-INF/MANIFEST.MF

Manifest-Version: 1.0
Archiver-Version: Plexus Archiver
Built-By: dahuoyzs
Created-By: Apache Maven 3.6.0
Build-Jdk: 1.8.0_171
Premain-Class: cn.bigfire.Agent2
Can-Retransform-Classes: true

运行效果

Agent2 premain 2param :input
满足条件
hello  agented
hello  agented
hello  agented
hello  agented

JavaAgent-premain方法3-无侵入动态修改程序源代码实现方法耗时统计效果：

实现main方法外的所有方法统计时间

Agent3.java

public class Agent3 {
 /**
 * 可以运行在main方法启动前
 * @param agent    输入的参数
 * @param instrumentation  instrumentation对象由JVM提供并传入
 */
 public static void premain(String agent, Instrumentation instrumentation) {
 System.out.println("Agent3 premain :" + agent);
 instrumentation.addTransformer(new TimeCountTransformer());
 }

 /**
 * 时间统计Transformer 给要代理的方法添加时间统计
 */
 private static class TimeCountTransformer implements ClassFileTransformer {
 @Override
 public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) {
  try {
  className = className.replace("/", ".");
  if (className.equals("cn.bigfire.Demo3")) {
   //使用全称,用于取得字节码类<使用javassist>
   CtClass ctclass = ClassPool.getDefault().get(className);
   //获得方法列表
   CtMethod[] methods = ctclass.getDeclaredMethods();
   //给方法设置代理
   Stream.of(methods).forEach(method-> agentMethod(ctclass,method));
   //CtClass转byte[]数组
   return ctclass.toBytecode();
  }
  } catch (Exception e) {
  e.printStackTrace();
  }
  return null;
 }
 }

 /**
 * 代理方法，把传入的方法经写代理，并生成带时间统计的方法，
 * @param ctClass    javassist的Class类
 * @param ctMethod   javassist的ctMethod方法
 * */
 public static void agentMethod(CtClass ctClass,CtMethod ctMethod){
 try {
  String mName = ctMethod.getName();
  if (!mName.equals("main")){//代理除了main方法以外的所有方法
  String newName = mName + "$Agent";
  ctMethod.setName(newName);
  CtMethod newMethod = CtNewMethod.copy(ctMethod, mName, ctClass, null);
  // 构建新的方法体
  String bodyStr = "{\n" +
   "long startTime = System.currentTimeMillis();\n" +
   newName + "();\n" +
   "long endTime = System.currentTimeMillis();\n" +
   "System.out.println(\""+newName+"() cost:\" +(endTime - startTime));\n" +
   "}";
  newMethod.setBody(bodyStr);// 替换新方法
  ctClass.addMethod(newMethod);// 增加新方法
  }
 }catch (Exception e){
  e.printStackTrace();
 }
 }

}

Demo3.java

public class Demo3 {
 
 /**
 * VM参数
 * -javaagent:D:\desktop\text\code\mycode\JavaAgentDemo\agent\target/agent.jar=input
 */
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 sleep1();
 sleep2();
 }

 public static void sleep1(){
 ThreadUtil.sleep(1000);
 }

 public static void sleep2(){
 ThreadUtil.sleep(2000);
 }

}

resources/META-INF/MANIFEST.MF

Manifest-Version: 1.0
Archiver-Version: Plexus Archiver
Built-By: dahuoyzs
Created-By: Apache Maven 3.6.0
Build-Jdk: 1.8.0_171
Class-Path: ../javassist-3.12.1.GA.jar
Premain-Class: cn.bigfire.Agent3
Can-Retransform-Classes: true

运行效果

Agent3 premain :input
sleep1$Agent() cost:1005
sleep2$Agent() cost:2001

JavaAgent-agentmain方法1-实现运行时修改程序效果：

实现运行时 修改程序 hello -> hello agented

Agent4.java

public class Agent4 {

 public static void premain(String agent){
 System.out.println("Agent4 premain 1param:" + agent);
 }

 public static void premain(String agent, Instrumentation instrumentation) {
 System.out.println("Agent4 premain 2param:" + agent);
 //premain时，由于堆里还没有相应的Class。所以直接addTransformer,程序就会生效。
// instrumentation.addTransformer(new ConsoleTransformer(),true);
 }

 public static void agentmain(String agent, Instrumentation instrumentation){
 System.out.println("Agent4 agentmain 2param :" + agent);
 instrumentation.addTransformer(new ConsoleTransformer(),true);
 //agentmain运行时 由于堆里已经存在Class文件，所以新添加Transformer后
 // 还要再调用一个 inst.retransformClasses(clazz); 方法来更新Class文件
 for (Class clazz:instrumentation.getAllLoadedClasses()) {
  if (clazz.getName().contains("cn.bigfire.Console")){
  try {
   instrumentation.retransformClasses(clazz);
  } catch (Exception e) {
   e.printStackTrace();
  }
  }
 }
 }

 public static void agentmain(String agent){
 System.out.println("Agent4 agentmain 1param :" + agent);
 }

}

Demo4

public class Demo4 {
 /**
 * 打包agent4 -> 先运行demo2 -> 运行demo4 ->选择程序demo2结尾的程序，即可运行时修改文件
 * VM参数
 * -javaagent:D:\desktop\text\code\mycode\JavaAgentDemo\agent\target/agent.jar=input
 * */
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 while (true){
  List<VirtualMachineDescriptor> list = VirtualMachine.list();
  for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
  VirtualMachineDescriptor jvm = list.get(i);;
  System.out.println("[" +i+ "]ID:"+jvm.id()+",Name:"+jvm.displayName());
  }
  System.out.println("请选择第几个");
  Scanner scanner = new Scanner(System.in);
  int s = scanner.nextInt();
  VirtualMachineDescriptor virtualMachineDescriptor = list.get(s);
  VirtualMachine attach = VirtualMachine.attach(virtualMachineDescriptor.id());
  String root = StrUtil.subBefore(System.getProperty("user.dir"), "JavaAgentDemo", true);
  String agentJar = root + "JavaAgentDemo\\agent\\target\\agent.jar";
  File file = new File(agentJar);
  System.out.println(file.exists());
  attach.loadAgent(agentJar,"param");
  attach.detach();
 }
 }
}

resources/META-INF/MANIFEST.MF

Manifest-Version: 1.0
Archiver-Version: Plexus Archiver
Built-By: dahuoyzs
Created-By: Apache Maven 3.6.0
Build-Jdk: 1.8.0_171
Premain-Class: cn.bigfire.Agent4
Agent-Class: cn.bigfire.Agent4
Can-Retransform-Classes: true
Can-Redefine-Classes: true

此时的运行顺序
打包agent4 -> 先运行demo2 -> 运行demo4 ->选择程序demo2结尾的程序，即可运行时修改文件

运行效果
Demo2

Agent4 premain 2param:input
hello
hello

Demo4

[0]ID:12480,Name:cn.bigfire.Demo2
[1]ID:14832,Name:org.jetbrains.kotlin.daemon.KotlinCompileDaemon --daemon-runFilesPath xxx
[2]ID:14864,Name:
[3]ID:3952,Name:cn.bigfire.Demo4
[4]ID:14852,Name:org.jetbrains.idea.maven.server.RemoteMavenServer36
[5]ID:11928,Name:org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher xxx
请选择第几个
0
true

Demo2

Agent4 premain 2param:input
hello
hello
Agent4 agentmain 2param :param
hello agented
hello agented
hello agented

JavaAgent-agentmain方法2-实现动态修改日志级别效果：

实现运行时 修改程序 模拟项目中的动态日志 info <-> debug

Agent5.java

public class Agent5 {

 public static void premain(String agent, Instrumentation instrumentation){
 System.out.println("Agent5 premain 2param :" + agent);
 instrumentation.addTransformer(new StartTransformer(),true);

 //这个方式不行。因为启动时Class都还没有呢。
// for (Class clazz:inst.getAllLoadedClasses()) {
//  if (clazz.getName().equals("cn.bigfire.LogLevelStarter")){
//  try {
//   switchDebug(clazz);
//   instrumentation.retransformClasses(clazz);
//  } catch (Exception e) {
//   e.printStackTrace();
//  }
//  }
// }
 }

 public static void agentmain(String agent, Instrumentation instrumentation){
 System.out.println("Agent5 agentmain 2param :" + agent);
 for (Class clazz:instrumentation.getAllLoadedClasses()) {
  if (clazz.getName().equals("cn.bigfire.LogLevelStarter")){
  try {
   switchAtomicDebug(clazz);
   instrumentation.retransformClasses(clazz);
  } catch (Exception e) {
   e.printStackTrace();
  }
  }
 }
 }

 public static class StartTransformer implements ClassFileTransformer {
 @Override
 public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
  //此时由于classBeingRedefined是空，所以还是不能用这个Class修改属性呢，只能通过 读取byte[]往堆里丢，才能用。
  if (className.equals("cn/bigfire/LogLevelStarter")){
  //【这是一个错误的思路】 premain的时候 classBeingRedefined是空的因为很多的Class还没加载到堆中
//  if (classBeingRedefined!=null){
//   switchDebug(classBeingRedefined);
//   return toBytes(classBeingRedefined);
//  }
  //正常的读取一共文件byte[]数组
  String root = StrUtil.subBefore(System.getProperty("user.dir"), "JavaAgentDemo", true);
  String classFile = root + "JavaAgentDemo/agent/src/main/resources/LogLevelStarter.class";
  return FileUtil.readBytes(classFile);
  }
  return classfileBuffer;
 }
 }

 /**
 * 可序列化对象转byte[]数组
 * @param clazz  要转byte[]数组的对象
 * @return byte[]  返回byte[]数组
 */
 public static byte[] toBytes(Serializable clazz){
 try {
  ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
  ObjectOutputStream stream = new ObjectOutputStream(byteArrayOutputStream);
  stream.writeObject(clazz);
  return byteArrayOutputStream.toByteArray();
 }catch (Exception e){
  e.printStackTrace();
 }
 return null;
 }

 public static void switchDebug(Class clazz){
 try {
  Field field1 = clazz.getDeclaredField("isDebug");
  field1.setAccessible(true);
  boolean debug = field1.getBoolean(clazz);
  field1.setBoolean(clazz,!debug);
 }catch (Exception e){
  e.printStackTrace();
 }
 }

 public static void switchAtomicDebug(Class clazz){
 try {
  Field field2 = clazz.getDeclaredField("atomicDebug");
  field2.setAccessible(true);
  AtomicBoolean atomicDebug = (AtomicBoolean)field2.get(clazz);
  atomicDebug.set(!atomicDebug.get());
 }catch (Exception e){
  e.printStackTrace();
 }
 }

}

注意，需要先把LogLevelStarter.java中的isDebug 改为true编译一下。放到src/main/resources/目录下;

LogLevelStarter.java

public class LogLevelStarter {

 public static volatile boolean isDebug = false;
 public static AtomicBoolean atomicDebug = new AtomicBoolean(false);

 /**
 * VM参数
 * -javaagent:D:\desktop\text\code\mycode\JavaAgentDemo\agent\target/agent.jar=input
 */
 public static void main(String[] args) throws Exception {
 new Thread(()->{
  for (;;){
  //死循环，每隔两秒打印一个日志。
  System.out.print(isDebug ? "volatile debug" : "volatile info");
  System.out.print("\t");
  System.out.println(atomicDebug.get() ? "atomicDebug debug" : "atomicDebug info");
  ThreadUtil.sleep(2000);
  }
 }).start();
 }
}

resources/META-INF/MANIFEST.MF

Manifest-Version: 1.0
Archiver-Version: Plexus Archiver
Built-By: dahuoyzs
Created-By: Apache Maven 3.6.0
Build-Jdk: 1.8.0_171
Premain-Class: cn.bigfire.Agent5
Agent-Class: cn.bigfire.Agent5
Can-Retransform-Classes: true
Can-Redefine-Classes: true

此时的运行顺序
打包agent5 -> 先运行LogLevelStarter -> 运行demo4 ->选择程序LogLevelStarter结尾的程序，即可运行时修改文件

运行效果

LogLevelStarter

Agent5 premain 2param :input
volatile debug atomicDebug info
volatile debug atomicDebug info

Demo4

[0]ID:12592,Name:cn.bigfire.LogLevelStarter
[1]ID:12880,Name:cn.bigfire.Demo4
[2]ID:14832,Name:org.jetbrains.kotlin.daemon.KotlinCompileDaemon --daemon-runFilesPath xxx
[3]ID:14864,Name:
[4]ID:14852,Name:org.jetbrains.idea.maven.server.RemoteMavenServer36
[5]ID:8116,Name:org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher xxx
请选择第几个
0
true

LogLevelStarter

Agent5 premain 2param :input
volatile debug	atomicDebug info
volatile debug	atomicDebug info
Agent5 agentmain 2param :param
volatile debug	atomicDebug debug
volatile debug	atomicDebug debug

在Agent5中，其实使用premain和agentmain。

premain把volatile修饰的isDbug给修改为true了。

而agentmain时把atomicDebug的值进行多次取反操作。

自己实现一个热部署功能的大致思路

当运行完本项目中的几个demo之后。

读者可能对Java Agent有了一些基本的概念

最起码我们知道了premain是可以运行在main函数前的。

而agentmain是可以在程序运行时，修改程序内的一些类文件的。

那么热部署很明显就是使用的agentmain这个特性了

那么热部署具体应该怎么实现呢?

这里先有个大概的思路。后续如果有经历，可以简单按照这个思路实现一下

思路

当我们文件发生修改的时候，项目会重新加载我们的类。

那么这里肯定会涉及到文件变化的观察。 即 观察者设计模式跑不了

首先递归当前项目目录。并根据文件类型，如(.java ,xml,yml等)将此类文件注册观察者模式。

当文件内容发生变化时，会调用 监听器中的回调方法；

在回调中完成如下(具体实现时未必需要)

使用Java1.6的JavaCompiler编译Java文件；
自定义ClassLoader 装载 编译好的Class到堆中

使用agentmain修改原Class文件替换成新的Class文件

完成热加载

JavaAgent的应用场景

apm：(Application Performance Management)应用性能管理。pinpoint、cat、skywalking等都基于Instrumentation实现
idea的HotSwap、Jrebel等热部署工具
应用级故障演练
Java诊断工具Arthas、Btrace等

源代码

{
	"author": "大火yzs",
	"title": "【JavaAgent】JavaAgent入门教程",
	"tag": "JavaAgent,Instrumentation,运行时动态修改源程序",
	"createTime": "2020-08-02 18:30"
}

总结

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