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JavaAgent技术原理

article 2024/12/23 14:32:18

什么是Java Agent？

java agent本质上可以理解为一个插件，该插件就是一个精心提供的jar包，这个jar包通过JVMTI（JVM Tool Interface）完成加载，最终借助JPLISAgent（Java Programming Language Instrumentation Services Agent）完成对目标代码的修改。

java agent技术的主要功能如下：

可以在加载java文件之前做拦截把字节码做修改
可以在运行期将已经加载的类的字节码做变更
还有其他的一些小众的功能
- 获取所有已经被加载过的类
- 获取所有已经被初始化过了的类
- 获取某个对象的大小
- 将某个jar加入到bootstrapclasspath里作为高优先级被bootstrapClassloader加载
- 将某个jar加入到classpath里供AppClassloard去加载
- 设置某些native方法的前缀，主要在查找native方法的时候做规则匹配

java Instrumentation API

通过java agent技术进行类的字节码修改最主要使用的就是Java Instrumentation API。下面将介绍如何使用Java Instrumentation API进行字节码修改。

实现agent启动方法

Java Agent支持目标JVM启动时加载，也支持在目标JVM运行时加载，这两种不同的加载模式会使用不同的入口函数，如果需要在目标JVM启动的同时加载Agent，那么可以选择实现下面的方法：

public static void premain(String agentArgs);

JVM将首先寻找[1]，如果没有发现[1]，再寻找[2]。如果希望在目标JVM运行时加载Agent，则需要实现下面的方法：

public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst); 
public static void agentmain(String agentArgs);

这两组方法的第一个参数AgentArgs是随同 –javaagent一起传入的程序参数，如果这个字符串代表了多个参数，就需要自己解析这些参数。inst是Instrumentation类型的对象，是JVM自动传入的，我们可以拿这个参数进行类增强等操作。

指定Main-Class

Agent需要打包成一个jar包，在ManiFest属性中指定Premain-Class或者Agent-Class,且需根据需求定义Can-Redefine-Classes和Can-Retransform-Classes：

Manifest-Version: 1.0
preMain-Class: com.test.AgentClass
Archiver-Version: Plexus Archiver
Agent-Class: com.test.AgentClass
Can-Redefine-Classes: true
Can-Retransform-Classes: true
Created-By: Apache Maven 3.3.9
Build-Jdk: 1.8.0_112

agent加载

启动时加载

启动参数增加-javaagent:[path]，其中path为对应的agent的jar包路径

运行中加载

使用com.sun.tools.attach.VirtualMachine加载

Instrument

instrument是JVM提供的一个可以修改已加载类的类库，专门为Java语言编写的插桩服务提供支持。它需要依赖JVMTI的Attach API机制实现。在JDK 1.6以前，instrument只能在JVM刚启动开始加载类时生效，而在JDK 1.6之后，instrument支持了在运行时对类定义的修改。要使用instrument的类修改功能，我们需要实现它提供的ClassFileTransformer接口，定义一个类文件转换器。接口中的transform()方法会在类文件被加载时调用，而在transform方法里，我们可以利用上文中的ASM或Javassist对传入的字节码进行改写或替换，生成新的字节码数组后返回。

public interface Instrumentation {
    /**
     * 注册Class文件转换器，转换器用于改变Class文件二进制流的数据
     *
     * @param transformer          注册的转换器
     * @param canRetransform       设置是否允许重新转换
     */
    void addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform);

    /**
     * 移除一个转换器
     *
     * @param transformer          需要移除的转换器
     */
    boolean removeTransformer(ClassFileTransformer transformer);
  
    /**
     * 在类加载之后，重新转换类，如果重新转换的方法有活跃的栈帧，那些活跃的栈帧继续运行未转换前的方法
     *
     * @param 重新转换的类数组
     */
    void retransformClasses(Class<?>... classes) throws UnmodifiableClassException;
  
    /**
     * 当前JVM配置是否支持重新转换
     */
    boolean isRetransformClassesSupported();

    /**
     * 获取所有已加载的类
     */
    @SuppressWarnings("rawtypes")
    Class[] getAllLoadedClasses();
}
public interface ClassFileTransformer {
    // className参数表示当前加载类的类名，classfileBuffer参数是待加载类文件的字节数组
    // 调用addTransformer注册ClassFileTransformer以后，后续所有JVM加载类都会被它的transform方法拦截
    // 这个方法接收原类文件的字节数组，在这个方法中做类文件改写，最后返回转换过的字节数组，由JVM加载这个修改过的类文件
    // 如果transform方法返回null，表示不对此类做处理，如果返回值不为null，JVM会用返回的字节数组替换原来类的字节数组
    byte[] transform(  ClassLoader         loader,
                String              className,
                Class<?>            classBeingRedefined,
                ProtectionDomain    protectionDomain,
                byte[]              classfileBuffer)
        throws IllegalClassFormatException;
}

首先可以定义如下的类转换器：

public class TestTransformer implements ClassFileTransformer {
   //目标类名称，  .分隔
    private String targetClassName;
    //目标类名称，  /分隔
    private String targetVMClassName;
    private String targetMethodName;
    

    public TestTransformer(String className,String methodName){
        this.targetVMClassName = new String(className).replaceAll("\\.","\\/");
        this.targetMethodName = methodName;
        this.targetClassName=className;
    }
    //类加载时会执行该函数，其中参数 classfileBuffer为类原始字节码，返回值为目标字节码，className为/分隔
    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
          //判断类名是否为目标类名
        if(!className.equals(targetVMClassName)){
            return classfileBuffer;
        }
        try {
            ClassPool classPool = ClassPool.getDefault();
            CtClass cls = classPool.get(this.targetClassName);
            CtMethod ctMethod = cls.getDeclaredMethod(this.targetMethodName);
            ctMethod.insertBefore("{ System.out.println(\"start\"); }");
            ctMethod.insertAfter("{ System.out.println(\"end\"); }");
            return cls.toBytecode();
        } catch (Exception e) {

        }
        return classfileBuffer;
    }
}

类转换器定义完毕后，需要将定义好的类转换器添加到对应的instrmentation中，对于已经加载过的类使用retransformClasses对类进行重新加载：

public class AgentDemo {

    private static String className = "hello.GreetingController";
    private static String methodName = "getDomain";

    public static void agentmain(String args, Instrumentation instrumentation) {

        try {
            List<Class> needRetransFormClasses = new LinkedList<>();
            Class[] loadedClass = instrumentation.getAllLoadedClasses();
            for (int i = 0; i < loadedClass.length; i++) {
                if (loadedClass[i].getName().equals(className)) {
                    needRetransFormClasses.add(loadedClass[i]);
                }
            }

            instrumentation.addTransformer(new TestTransformer(className, methodName));
            instrumentation.retransformClasses(needRetransFormClasses.toArray(new Class[0]));
        } catch (Exception e) {

        }
    }

    public static void premain(String args, Instrumentation instrumentation) {
        instrumentation.addTransformer(new TestTransformer(className, methodName));
    }
}

从上述的代码可以看出，主方法实现了两个，分别为agentmain和premain，其中

premain
- 用于在启动时，类加载前定义类的TransFormer，在类加载的时候更新对应的类的字节码
agentmain
- 用于在运行时进行类的字节码的修改，步骤整体分为两步
  - 注册类的TransFormer
  - 调用retransformClasses函数进行类的重加载

java agent原理简述

启动时修改

启动时修改主要是在jvm启动时，执行native函数的Agent_OnLoad方法，在方法执行时，执行如下步骤：

创建InstrumentationImpl对象
监听ClassFileLoadHook事件
调用InstrumentationImpl的loadClassAndCallPremain方法，在这个方法里会去调用javaagent里MANIFEST.MF里指定的Premain-Class类的premain方法

借助Instrumentation，JVM启动时的处理流程是这样的：JVM会执行指定类的premain()方法，在premain()中可以调用Instrumentation对象的addTransformer方法注册ClassFileTransformer。当JVM加载类时会将类文件的字节数组传递给ClassFileTransformer的transform方法，在transform方法中对Class文件进行解析和修改，之后JVM就会加载转换后的Class文件
JVM加载类过程

运行时修改

运行时修改主要是通过jvm的attach机制来请求目标jvm加载对应的agent，执行native函数的Agent_OnAttach方法，在方法执行时，执行如下步骤：

创建InstrumentationImpl对象
监听ClassFileLoadHook事件
调用InstrumentationImpl的loadClassAndCallAgentmain方法，在这个方法里会去调用javaagent里MANIFEST.MF里指定的Agentmain-Class类的agentmain方法

ClassFileLoadHook和TransFormClassFile

在前面讲解中，可以看出整体流程中有两个部分是具有共性的，分别为：

ClassFileLoadHook
TranFormClassFile

ClassFileLoadHook是一个jvmti事件，该事件是instrument agent的一个核心事件，主要是在读取字节码文件回调时调用，内部调用了TransFormClassFile函数。

TransFormClassFile的主要作用是调用java.lang.instrument.ClassFileTransformer的tranform方法，该方法由开发者实现，通过instrument的addTransformer方法进行注册。

通过以上描述可以看出在字节码文件加载的时候，会触发ClassFileLoadHook事件，该事件调用TransFormClassFile，通过经由instrument的addTransformer注册的方法完成整体的字节码修改。

对于已加载的类，需要调用retransformClass函数，然后经由redefineClasses函数，在读取已加载的字节码文件后，若该字节码文件对应的类关注了ClassFileLoadHook事件，则调用ClassFileLoadHook事件。后续流程与类加载时字节码替换一致。

何时进行运行时替换

在类加载完毕后，对应的想要替换函数可能正在执行，那么何时进行类字节码的替换呢？

由于运行时类字节码替换依赖于redefineClasses，那么可以看一下该方法的定义：

jvmtiError
JvmtiEnv::RedefineClasses(jint class_count, const jvmtiClassDefinition* class_definitions) {
//TODO: add locking
  VM_RedefineClasses op(class_count, class_definitions, jvmti_class_load_kind_redefine);
  VMThread::execute(&op);
  return (op.check_error());
}

其中整体的执行依赖于VMThread，VMThread是一个在虚拟机创建时生成的单例原生线程，这个线程能派生出其他线程。同时，这个线程的主要的作用是维护一个vm操作队列(VMOperationQueue)，用于处理其他线程提交的vm operation，比如执行GC等。

VmThread在执行一个vm操作时，先判断这个操作是否需要在safepoint下执行。若需要safepoint下执行且当前系统不在safepoint下，则调用SafepointSynchronize的方法驱使所有线程进入safepoint中，再执行vm操作。执行完后再唤醒所有线程。若此操作不需要在safepoint下，或者当前系统已经在safepoint下，则可以直接执行该操作了。所以，在safepoint的vm操作下，只有vm线程可以执行具体的逻辑，其他线程都要进入safepoint下并被挂起，直到完成此次操作。

因此，在执行字节码替换的时候需要在safepoint下执行，因此整体会触发stop-the-world。

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http://www.kler.cn/a/290982.html