【华为云技术分享】程序员实用JDK小工具归纳

在JDK的安用装目录bin下，有一些有非常实用的小工具，可用于分析JVM初始配置、内存溢出异常等问题，我们接下来将对些常用的工具进行一些说明。

1. JDK小工具简介

在JDK的bin目录下面有一些小工具，如javac,jar,jstack,jstat等，在日常编译运行过程中有着不少的“额外”功能，那么它们是怎么工作的呢？
虽然这些文件本身已经被编译成可执行二进制文件了，但是其实它们的功能都是由tools.jar这个工具包(配合一些dll或者so本地库)完成的，每个可执行文件都对应一个包含main函数入口的java类(有兴趣可以阅读openJDK相关的源码
它们的对应关系如下(更多可去openJDK查阅)：

javac com.sun.tools.javac.Main
jar sun.tools.jar.Main
jps sun.tools.jps.Jps
jstat sun.tools.jstat.Jstat
jstack    sun.tools.jstack.JStack
...

2. tools.jar的使用

我们一般开发机器上都会安装JDK+jre，这时候，要用这些工具，直接运行二进制可执行文件就行了，但是有时候，机器上只有jre而没有JDK，我们就无法用了么？

如果你知道如上的对应关系的话，我们就可以"构造"出这些工具来(当然也可以把JDK安装一遍，本篇只是介绍另一种选择)
比如我们编写

//Hello.java
public class Hello{
    public static void main(String[] args)throws Exception{
        while(true){
            test1();
            Thread.sleep(1000L);
        }
    }
    public static void test1(){
        test2();
    }
    public static void test2(){
        System.out.println("invoke test2");
    }
}

可以验证如下功能转换关系

1.编译源文件：

javac Hello.java => java -cp tools.jar com.sun.tools.javac.Main Hello.java

结果一样，都可以生成Hello.class文件

然后我们开始运行java -cp . Hello

2.查看java进程:

jps => java -cp tools.jar sun.tools.jps.Jps

结果一样，如下：

4615 Jps
11048 jar
3003 Hello

3.动态查看内存:

jstat -gcutil 3003 100 3 => java -cp tools.jar sun.tools.jstat.Jstat -gcutil 3003 100 3

发现结果是一样的

  S0 S1 E O M CCS YGC YGCT FGC FGCT GCT

  0.00 0.00 4.00 0.00 17.42 19.65 0 0.000 0 0.000 0.000

  0.00 0.00 4.00 0.00 17.42 19.65 0 0.000 0 0.000 0.000

  0.00 0.00 4.00 0.00 17.42 19.65 0 0.000 0 0.000 0.000

4.查看当前运行栈信息

正常情况，执行如下命令结果也是一样，可以正常输出

jstack 3003 =》 java -cp tools.jar sun.tools.jstack.JStack 3003

但是有的jre安装不正常的时候，会报如下错误

Exception in thread "main" java.lang.UnsatisfiedLinkError: no attach in java.library.path

这是因为jstack的运行需要attach本地库的支持，我们需要在系统变量里面配置上其路径，假如路径为/home/JDK/jre/bin/libattach.so
命令转换成

jstack 3003 =》 java -Djava.library.path=/home/JDK/jre/bin -cp tools.jar sun.tools.jstack.JStack 3003

就可以实现了

在linux系统中是libattach.so，而在windows系统中是attach.dll，它提供了一个与本机jvm通信的能力，利用它可以与本地的jvm进行通信，许多java小工具就可能通过它来获取jvm运行时状态，也可以对jvm执行一些操作

3. attach使用

3.1 编写agent.jar代理包

1. 编写一个Agent类

//Agent.java

public class Agent{

    public static void agentmain(String args, java.lang.instrument.Instrumentation inst) {

        System.out.println("agent : " + args);

    }

}

2. 编译Agent

java -cp tools.jar com.sun.tools.javac.Main Agent.java

//或者

javac Agent.java

3. 再编manifest.mf文件

//manifest.mf

Manifest-Version: 1.0

Agent-Class: Agent

Can-Redefine-Classes: true

Can-Retransform-Classes: true

4. 把Agent.class和manifest.mf进行打包成agent.jar

java -cp tools.jar sun.tools.jar.Main -cmf manifest.mf agent.jar Agent.class

//或者

jar -cmf manifest.mf agent.jar Agent.class

3.2 attach进程

1. 编写如下attach类，编译并执行

//AttachMain.java

public class AttachMain {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        com.sun.tools.attach.VirtualMachine vm = com.sun.tools.attach.VirtualMachine.attach(args[0]);

        vm.loadAgent("agent.jar", "inject params");

        vm.detach();

    }

}

2. 编译：

java -cp tools.jar com.sun.tools.javac.Main -cp tools.jar AttachMain.java

//或者

javac -cp tools.jar AttachMain.java

3. 执行attach

java -cp .:tools.jar AttachMain 3003

4. 查看Hello进程有如下输出：

invoke test2

invoke test2

invoke test2

invoke test2

invoke test2

invoke test2

invoke test2

agent : inject params

invoke test2

说明attach成功了，而且在目标java进程中引入了agent.jar这个包，并且在其中一个线程中执行了manifest文件中agentmain类的agentmain方法，详细原理可以见JVMTI的介绍，例如oracle的介绍

3.3 用attach制作小工具

1. 写一个使进程OutOfMemory/StackOverFlow的工具

有了attach的方便使用，我们可以在agentmain中新起动一个线程(为避免把attach线程污染掉)，在里面无限分配内存但不回收，就可以产生OOM或者stackoverflow

代码如下：

//Agent.java for OOM

public class Agent{

    public static void agentmain(String args, java.lang.instrument.Instrumentation inst) {

        new Thread() {

            @Override

            public void run() {

                java.util.List<byte[]> list = new java.util.ArrayList<byte[]>();

                try {

                    while(true) {

                        list.add(new byte[100*1024*1024]);

                        Thread.sleep(100L);

                    }

                } catch (InterruptedException e) {

                }

            }

        }.start();

    }

}

//Agent.java for stackoverflow

public class Agent{

    public static void agentmain(String args, java.lang.instrument.Instrumentation inst) {

        new Thread() {

            @Override

            public void run() {

                stackOver();

            }

            private void stackOver(){

                stackOver();

            }

        }.start();

    }

}

当测试OOM的时候，hello进程的输出为：

invoke test2

Exception in thread "Thread-0" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

        at Agent$1.run(Agent.java:9)

invoke test2

invoke test2

invoke test2

说明发生OOM了, 但是OOM线程退出了，其它线程还在正常运行。

如果我们需要进程在OOM的时候产生一些动作，我们可以在进程启动的时候增加一些OOM相关的VM参数

• OOM的时候直接kill掉进程：-XX:OnOutOfMemoryError="kill -9 %p"
  结果如下：

invoke test2

invoke test2

#

# java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

# -XX:OnOutOfMemoryError="kill -9 %p"

#   Executing /bin/sh -c "kill -9 26829"...

Killed

• OOM的时候直接退出进程：-XX:+ExitOnOutOfMemoryError
  结果如下：

invoke test2

invoke test2

Terminating due to java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

• OOM的时候进程crash掉：-XX:+CrashOnOutOfMemoryError
  结果如下：

invoke test2

invoke test2

Aborting due to java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

invoke test2#

# A fatal error has been detected by the Java Runtime Environment:

#

#  Internal Error (debug.cpp:308)

, pid=42675, tid=0x00007f3710bf4700

#  fatal error: OutOfMemory encountered: Java heap space

#

# JRE version: Java(TM) SE Runtime Environment (8.0_171-b11) (build 1.8.0_171-b11)

# Java VM: Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.171-b11 mixed mode linux-amd64 compressed oops)

# Failed to write core dump. Core dumps have been disabled. To enable core dumping, try "ulimit -c unlimited" before starting Java again

#

# An error report file with more information is saved as:

# /root/hanlang/test/hs_err_pid42675.log

#

# If you would like to submit a bug report, please visit:

#   http://bugreport.java.com/bugreport/crash.jsp

#

Aborted

• OOM的时候dump内存：-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/tmp/dump.hprof
  结果生成dump文件

4. asm的应用

4.1 asm使用原理

asm是一个java字节码工具，提供一种方便的函数/属性级别修改已经编译好的.class文件的方法, asm的简单使用原理介绍如下：

1. 通过ClassReader读取.class文件的字节码内容，并生成语法树；
2. ClassReader的方法accept(ClassVisitor classVisitor, int parsingOptions)功能是让classVisitor遍历语法树，默认ClassVisitor是一个代理类，需要有一个具体的实现在遍历语法树的时候做一些处理；
3. 用ClassWriter是ClassVisitor的一个实现，它的功能是把语法树转换成字节码；
4. 通常我们会定义一个自己的ClassVisitor，可以重写里面的一些方法来改写类处理逻辑，然后让ClassWriter把处理之后的语法树转换成字节码；

下面是具体的实现步骤：

1. 引入asm依赖包

<dependency>

    <groupId>org.ow2.asm</groupId>

    <artifactId>asm</artifactId>

    <version>7.0</version>

</dependency>

<dependency>

    <groupId>org.ow2.asm</groupId>

    <artifactId>asm-commons</artifactId>

    <version>7.0</version>

</dependency>

//或者引入如下包

asm-commons-7.0.jar

asm-analysis-7.0.jar

asm-tree-7.0.jar

asm-7.0.jar

2. 定义一个ClassVisitor，功能是在所有方法调用前和调用后分别通过System.out.println打印一些信息
输入为字节码，输出也是字节码

//MyClassVisitor.java

public class MyClassVisitor extends ClassVisitor {

    private static final Type SYSTEM;

    private static final Type OUT;

    private static final Method PRINTLN;

    static {

        java.lang.reflect.Method m = null;

        try {

            m = PrintStream.class.getMethod("println", new Class<?>[] {String.class});

        } catch (Exception e) {

        }

        SYSTEM = Type.getType(System.class);

        OUT = Type.getType(PrintStream.class);

        PRINTLN = Method.getMethod(m);

    }



    private String cName;



    public MyClassVisitor(byte[] bytes) {

        super(Opcodes.ASM7, new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES));

        new ClassReader(bytes).accept(this, ClassReader.EXPAND_FRAMES);

    }

    String format(String name) {

        return name.replaceAll("<", "_").replaceAll("\$|>", "");

    }

    @Override

    public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) {

        cName = format(name);

        super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);

    }



    @Override

    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {

        if ((access & 256) != 0) {

            return super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);

        }

        return new MyMethodAdapter(super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions), access, name, desc);

    }



    public byte[] getBytes() {

        return ((ClassWriter) cv).toByteArray();

    }



    class MyMethodAdapter extends AdviceAdapter {

        private String mName;



        public MyMethodAdapter(MethodVisitor methodVisitor, int acc, String name, String desc) {

            super(Opcodes.ASM7, methodVisitor, acc, name, desc);

            this.mName = format(name);

        }



        @Override

        protected void onMethodEnter() {

            getStatic(SYSTEM, "out", OUT);

            push(cName + "." + mName + " start");

            this.invokeVirtual(OUT, PRINTLN);

        }



        @Override

        protected void onMethodExit(int opcode) {

            getStatic(SYSTEM, "out", OUT);

            push(cName + "." + mName + " end");

            this.invokeVirtual(OUT, PRINTLN);

        }

    }

}

3. 定义一个简单的classLoader来加载转换后的字节码

//MyLoader.java

class MyLoader extends ClassLoader {

    private String cname;

    private byte[] bytes;

    public MyLoader(String cname, byte[] bytes) {

        this.cname = cname;

        this.bytes = bytes;

    }



    @Override

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {

        Class<?> clazz = null;

        if (clazz == null && cname.equals(name)) {

            try {

                clazz = findClass(name);

            } catch (ClassNotFoundException e) {

            }

        }

        if (clazz == null) {

            clazz = super.loadClass(name, resolve);

        }

        return clazz;

    }



    @Override

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        Class<?> clazz = this.findLoadedClass(name);

        if (clazz == null) {

            clazz = defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);

        }

        return clazz;

    }

}

4. 加载转换Hello类，然后反向调用其方法

//将如下main函数加入MyClassVisitor.java中

public static void main(String[] args) throws Exception {

    try (InputStream in = Hello.class.getResourceAsStream("Hello.class")) {

        byte[] bytes = new byte[in.available()];

        in.read(bytes);

        String cname = Hello.class.getName();

        Class<?> clazz = new MyLoader(cname, new MyClassVisitor(bytes).getBytes()).loadClass(cname);

        clazz.getMethod("test1").invoke(null);

    }

}

5. 编译

java -cp tools.jar com.sun.tools.javac.Main -cp asm-commons-7.0.jar:asm-analysis-7.0.jar:asm-tree-7.0.jar:asm-7.0.jar:. *.java

//或者

javac -cp asm-commons-7.0.jar:asm-analysis-7.0.jar:asm-tree-7.0.jar:asm-7.0.jar:. *.java

5. 运行

java -cp asm-commons-7.0.jar:asm-analysis-7.0.jar:asm-tree-7.0.jar:asm-7.0.jar:. MyClassVisitor

//结果如下：

Hello.test1 start

Hello.test2 start

invoke test2

Hello.test2 end

Hello.test1 end

asm的使用很广泛，最常用的是在spring aop里面切面的功能就是通过asm来完成的

4.2 利用asm与Instrument制作调试工具

• Instrument工具

Instrument类有如下方法，可以增加一个类转换器

addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform)

执行如下方法的时候，对应的类将会被重新定义

retransformClasses(Class<?>... classes)

• 与asm配合使用
  当我们修改Agent.java代码为下面内容

//Agent

public class Agent {

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

        try {

            URLClassLoader loader = (URLClassLoader)Agent.class.getClassLoader();

            Method method = URLClassLoader.class.getDeclaredMethod("addURL", URL.class);

            method.setAccessible(true);//代码级引入依赖包

            method.invoke(loader, new File("asm-7.0.jar").toURI().toURL());

            method.invoke(loader, new File("asm-analysis-7.0.jar").toURI().toURL());

            method.invoke(loader, new File("asm-tree-7.0.jar").toURI().toURL());

            method.invoke(loader, new File("asm-commons-7.0.jar").toURI().toURL());

            inst.addTransformer(new ClassFileTransformer() {

                @Override

                public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,

                    ProtectionDomain protectionDomain, byte[] bytes) {

                    return new MyClassVisitor(bytes).getBytes();

                }

            }, true);

            inst.retransformClasses(Class.forName("Hello"));

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}

• 编译并打包成agent.jar

//编译

javac -cp asm-commons-7.0.jar:asm-analysis-7.0.jar:asm-tree-7.0.jar:asm-7.0.jar:. *.java

//打包

jar -cmf manifest.mf agent.jar MyLoader.class MyClassVisitor.class MyClassVisitor$MyMethodAdapter.class Agent.class Agent$1.class

• attach进程修改字节码

//执行

java -cp .:tools.jar AttachMain 3003

//执行前后Hello进程的输出变化为

invoke test2

invoke test2

invoke test2

Hello.test1 start

Hello.test2 start

invoke test2

Hello.test2 end

Hello.test1 end

Hello.test1 start

Hello.test2 start

invoke test2

Hello.test2 end

Hello.test1 end

利用asm及instrument工具来实现热修改字节码现在有许多成熟的工具,如btrace（https://github.com/btraceio/btrace，jvm-sandbox https://github.com/alibaba/jvm-sandbox)

 

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