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Java 动态字节码技术

[日期:2019-04-01] 来源:zhenbianshu.github.io  作者:zhenbianshu [字体: ]

对 Debug 的好奇

初学 Java 时,我对 IDEA 的 Debug 非常好奇,不止是它能查看断点的上下文环境,更神奇的是我可以在断点处使用它的 Evaluate 功能直接执行某些命令,进行一些计算或改变当前变量。

刚开始语法不熟经常写错代码,重新打包部署一次代码耗时很长,我就直接面向 Debug 开发。在要编写的方法开始处打一个断点,在 Evaluate 框内一次次地执行方法函数不停地调整代码,没问题后再将代码复制出来放到 IDEA 里,再进行下一个方法的编写,这样就跟写 PHP 类似的解释性语言一样,写完即执行,非常方便。

Java 动态字节码技术

但 Java 是静态语言,运行之前是要先进行编译的,难道我写的这些代码是被实时编译又”注入”到我正在 Debug 的服务里了吗?

随着对 Java 的愈加熟悉,我也了解了反射、字节码等技术,直到前些天的周会分享,有位同事分享了 Btrace 的使用和实现,提到了 Java 的 ASM 框架和 JVM TI 接口。 Btrace 修改代码能力的实现与 Debug 的 Evaluate 有很多相似之处,这大大吸引了我。分享就像一个引子,从中学到的东西只是皮毛,要了解它还是要自己研究。于是自己查看资料并写代码学习了下其具体实现。

ASM

实现 Evaluate 要解决的第一个问题就是怎么改变原有代码的行为,它的实现在 Java 里被称为动态字节码技术。

动态生成字节码

我们知道,我们编写的 Java 代码都是要被编译成字节码后才能放到 JVM 里执行的,而字节码一旦被加载到虚拟机中,就可以被解释执行。

字节码文件(.class)就是普通的二进制文件,它是通过 Java 编译器生成的。而只要是文件就可以被改变,如果我们用特定的规则解析了原有的字节码文件,对它进行修改或者干脆重新定义,这不就可以改变代码行为了么。

Java 生态里有很多可以动态生成字节码的技术,像 BCEL、Javassist、ASM、CGLib 等,它们各有自己的优势。有的使用复杂却功能强大、有的简单确也性能些差。

ASM 框架

ASM 是它们中最强大的一个,使用它可以动态修改类、方法,甚至可以重新定义类,连 CGLib 底层都是用 ASM 实现的。

当然,它的使用门槛也很高,使用它需要对 Java 的字节码文件有所了解,熟悉 JVM 的编译指令。虽然我对 JVM 的字节码语法不熟,但有大神开发了可以在 IDEA 里查看字节码的插件:ASM Bytecode Outline ,在要查看的类文件里右键选择 Show bytecode Outline 即可以右侧的工具栏查看我们要生成的字节码。对照着示例,我们就可以很轻松地写出操作字节码的 Java 代码了。

而切到 ASMified 标签栏,我们甚至可以直接获取到 ASM 的使用代码。

Java 动态字节码技术

常用方法

在 ASM 的代码实现里,最明显的就是访问者模式,ASM 将对代码的读取和操作都包装成一个访问者,在解析 JVM 加载到的字节码时调用。

ClassReader 是 ASM 代码的入口,通过它解析二进制字节码,实例化时它时,我们需要传入一个 ClassVisitor,在这个 Visitor 里,我们可以实现 visitMethod()/visitAnnotation() 等方法,用以定义对类结构(如方法、字段、注解)的访问方法。

而 ClassWriter 接口继承了 ClassVisitor 接口,我们在实例化类访问器时,将 ClassWriter “注入” 到里面,以实现对类写入的声明。

Instrument

介绍

字节码是修改完了,可是 JVM 在执行时会使用自己的类加载器加载字节码文件,加载后并不会理会我们做出的修改,要想实现对现有类的修改,我们还需要搭配 Java 的另一个库 instrument

instrument 是 JVM 提供的一个可以修改已加载类文件的类库。1.6以前,instrument 只能在 JVM 刚启动开始加载类时生效,之后,instrument 更是支持了在运行时对类定义的修改。

使用

要使用 instrument 的类修改功能,我们需要实现它的 ClassFileTransformer 接口定义一个类文件转换器。它唯一的一个 transform() 方法会在类文件被加载时调用,在 transform 方法里,我们可以对传入的二进制字节码进行改写或替换,生成新的字节码数组后返回,JVM 会使用 transform 方法返回的字节码数据进行类的加载。

JVM TI

定义完了字节码的修改和重定义方法,但我们怎么才能让 JVM 能够调用我们提供的类转换器呢?这里又要介绍到 JVM TI 了。

介绍

JVM TI(JVM Tool Interface)JVM 工具接口是 JVM 提供的一个非常强大的对 JVM 操作的工具接口,通过这个接口,我们可以实现对 JVM 多种组件的操作,从JVMTM Tool Interface 这里我们认识到 JVM TI 的强大,它包括了对虚拟机堆内存、类、线程等各个方面的管理接口。

JVM TI 通过事件机制,通过接口注册各种事件勾子,在 JVM 事件触发时同时触发预定义的勾子,以实现对各个 JVM 事件的感知和反应。

Agent

Agent 是 JVM TI 实现的一种方式。我们在编译 C 项目里链接静态库,将静态库的功能注入到项目里,从而才可以在项目里引用库里的函数。我们可以将 agent 类比为 C 里的静态库,我们也可以用 C 或 C++ 来实现,将其编译为 dll 或 so 文件,在启动 JVM 时启动。

这时再来思考 Debug 的实现,我们在启动被 Debug 的 JVM 时,必须添加参数 -agentlib:jdwp=transport=dt_socket,suspend=y,address=localhost:3333,而 -agentlib 选项就指定了我们要加载的 Java Agent,jdwp 是 agent 的名字,在 linux 系统中,我们可以在 jre 目录下找到 jdwp.so 库文件。

Java 的调试体系 jdpa 组成,从高到低分别为 jdi->jdwp->jvmti,我们通过 JDI 接口发送调试指令,而 jdwp 就相当于一个通道,帮我们翻译 JDI 指令到 JVM TI,最底层的 JVM TI 最终实现对 JVM 的操作。

使用

JVM TI 的 agent 使用很简单,在启动 agent 时添加 -agent 参数指定我们要加载的 agent jar包即可。

而要实现代码的修改,我们需要实现一个 instrument agent,它可以通过在一个类里添加 premain() 或 agentmain() 方法来实现。而要实现 1.6 以上的动态 instrument 功能,实现 agentmain 方法即可。

在 agentmain 方法里,我们调用 Instrumentation.retransformClasses() 方法实现对目标类的重定义。

另外往一个正在运行的 JVM 里动态添加 agent,还需要用到 JVM 的 attach 功能,Sun 公司的 tools.jar 包里包含的 VirtualMachine 类提供了 attach 一个本地 JVM 的功能,它需要我们传入一个本地 JVM 的 pid, tools.jar 可以在 jre 目录下找到。

agent生成

另外,我们还需要注意 agent 的打包,它需要指定一个 Agent-Class 参数指定我们的包括 agentmain 方法的类,可以算是指定入口类吧。

此外,还需要配置 MANIFEST.MF 文件的一些参数,允许我们重新定义类。如果你的 agent 实现还需要引用一些其他类库时,还需要将这些类库都打包到此 jar 包中,下面是我的 pom 文件配置。

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <archive>
                        <manifestEntries>
                            <Agent-Class>asm.TestAgent</Agent-Class>
                            <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
                            <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
                            <Manifest-Version>1.0</Manifest-Version>
                            <Permissions>all-permissions</Permissions>
                        </manifestEntries>
                    </archive>
                    <descriptorRefs>
                        <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
                    </descriptorRefs>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

另外在打包时需要使用 mvn assembly:assembl 命令生成 jar-with-dependencies 作为 agent。

代码实现

我在测试时写了一个用以上技术实现了一个简单的字节码动态修改的 Demo。

被修改的类

TransformTarget 是要被修改的目标类,正常执行时,它会三秒输出一次 “hello”。

public class TransformTarget {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(3000L);
            } catch (Exception e) {
                break;
            }
            printSomething();
        }
    }

    public static void printSomething() {
        System.out.println("hello");
    }

}

Agent

Agent 是执行修改类的主体,它使用 ASM 修改 TransformTarget 类的方法,并使用 instrument 包将修改提交给 JVM。

入口类,也是代理的 Agent-Class。

public class TestAgent {
    public static void agentmain(String args, Instrumentation inst) {
        inst.addTransformer(new TestTransformer(), true);
        try {
            inst.retransformClasses(TransformTarget.class);
            System.out.println("Agent Load Done.");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("agent load failed!");
        }
    }
}

执行字节码修改和转换的类。

public class TestTransformer implements ClassFileTransformer {

    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
        System.out.println("Transforming " + className);
        ClassReader reader = new ClassReader(classfileBuffer);
        ClassWriter classWriter = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
        ClassVisitor classVisitor = new TestClassVisitor(Opcodes.ASM5, classWriter);
        reader.accept(classVisitor, ClassReader.SKIP_DEBUG);
        return classWriter.toByteArray();
    }

    class TestClassVisitor extends ClassVisitor implements Opcodes {
        TestClassVisitor(int api, ClassVisitor classVisitor) {
            super(api, classVisitor);
        }

        @Override
        public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
            MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
            if (name.equals("printSomething")) {
                mv.visitCode();
                Label l0 = new Label();
                mv.visitLabel(l0);
                mv.visitLineNumber(19, l0);
                mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
                mv.visitLdcInsn("bytecode replaced!");
                mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
                Label l1 = new Label();
                mv.visitLabel(l1);
                mv.visitLineNumber(20, l1);
                mv.visitInsn(Opcodes.RETURN);
                mv.visitMaxs(2, 0);
                mv.visitEnd();
                TransformTarget.printSomething();
            }
            return mv;
        }
    }
}

Attacher

使用 tools.jar 里方法将 agent 动态加载到目标 JVM 的类。

public class Attacher {
    public static void main(String[] args) throws AttachNotSupportedException, IOException, AgentLoadException, AgentInitializationException {

        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach("34242"); // 目标 JVM pid
        vm.loadAgent("/path/to/agent.jar");
    }
}

这样,先启动 TransformTarget 类,获取到 pid 后将其传入 Attacher 里,并指定 agent jar,将 agent attach 到 TransformTarget 中,原来输出的 “hello” 就变成我们想要修改的 “bytecode replaced!” 了。

Java 动态字节码技术

小结

掌握了字节码的动态修改技术后,再回头看 Btrace 的原理就更清晰了,稍微摸索一下我们也可以实现一个简版的。另外很多大牛实现的各种 Java 性能分析工具的技术栈也不外如此,了解了这些,未来我们也可以写出适合自己的工具,至少能对别人的工具进行修改~

不得不说 Java 的生态真的非常繁荣,当真是博大精深,查阅一个模块的资料时能总引出一大堆新的概念,永远有学不完的新东西。

Linux公社的RSS地址https://www.linuxidc.com/rssFeed.aspx

本文永久更新链接地址https://www.linuxidc.com/Linux/2019-04/157876.htm

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