BTrace 动态追踪技术

直接操作字节码

Java是软件开发人员能读懂的语言，class字节码是JVM能读懂的语言，class字节码最终会被JVM解释成机器能读懂的语言。无论哪种语言，都是人创造的。所以，理论上（实际上也确实如此）人能读懂上述任何一种语言，既然能读懂，自然能修改。只要我们愿意，我们完全可以跳过Java编译器，直接写字节码文件，只不过这并不符合时代的发展罢了，毕竟高级语言设计之始就是为我们人类所服务，其开发效率也比机器语言高很多。

对于人类来说，字节码文件的可读性远远没有Java代码高。尽管如此，还是有一些杰出的程序员们创造出了可以用来直接编辑字节码的框架，提供接口可以让我们方便地操作字节码文件，进行注入修改类的方法，动态创造一个新的类等等操作。其中最著名的框架应该就是ASM了，cglib、Spring等框架中对于字节码的操作就建立在ASM之上。

我们都知道，Spring的AOP是基于动态代理实现的，Spring会在运行时动态创建代理类，代理类中引用被代理类，在被代理的方法执行前后进行一些神秘的操作。那么，Spring是怎么在运行时创建代理类的呢？动态代理的美妙之处，就在于我们不必手动为每个需要被代理的类写代理类代码，Spring在运行时会根据需要动态地创造出一个类，这里创造的过程并非通过字符串写Java文件，然后编译成class文件，然后加载。Spring会直接“创造”一个class文件，然后加载，创造class文件的工具，就是ASM了。

到这里，我们知道了用ASM框架直接操作class文件，在类中加一段打印日志的代码，然后调用retransformClasses就可以了。

BTrace

截止到目前，我们都是停留在理论描述的层面。那么如何进行实现呢？先来看几个问题：

1. 在我们的工程中，谁来做这个寻找字节码，修改字节码，然后reTransform的动作呢？我们并非先知，不可能知道未来有没有可能遇到文章开头的这种问题。考虑到性价比，我们也不可能在每个工程中都开发一段专门做这些修改字节码、重新加载字节码的代码。
2. 如果JVM不在本地，在远程呢？
3. 如果连ASM都不会用呢？能不能更通用一些，更“傻瓜”一些。

幸运的是，因为有BTrace的存在，我们不必自己写一套这样的工具了。什么是BTrace呢？BTrace已经开源，项目描述极其简短：

A safe, dynamic tracing tool for the Java platform.

BTrace是基于Java语言的一个安全的、可提供动态追踪服务的工具。BTrace基于ASM、Java Attach Api、Instruments开发，为用户提供了很多注解。依靠这些注解，我们可以编写BTrace脚本（简单的Java代码）达到我们想要的效果，而不必深陷于ASM对字节码的操作中不可自拔。

看BTrace官方提供的一个简单例子：拦截所有java.io包中所有类中以read开头的方法，打印类名、方法名和参数名。当程序IO负载比较高的时候，就可以从输出的信息中看到是哪些类所引起，是不是很方便？

package com.sun.btrace.samples;

import com.sun.btrace.annotations.*;
import com.sun.btrace.AnyType;
import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*;

/**
 * This sample demonstrates regular expression
 * probe matching and getting input arguments
 * as an array - so that any overload variant
 * can be traced in "one place". This example
 * traces any "readXX" method on any class in
 * java.io package. Probed class, method and arg
 * array is printed in the action.
 */
@BTrace public class ArgArray {
    @OnMethod(
        clazz="/java\.io\..*/",
        method="/read.*/"
    )
    public static void anyRead(@ProbeClassName String pcn, @ProbeMethodName String pmn, AnyType[] args) {
        println(pcn);
        println(pmn);
        printArray(args);
    }
}

再来看另一个例子：每隔2秒打印截止到当前创建过的线程数。

package com.sun.btrace.samples;

import com.sun.btrace.annotations.*;
import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*;
import com.sun.btrace.annotations.Export;

/**
 * This sample creates a jvmstat counter and
 * increments it everytime Thread.start() is
 * called. This thread count may be accessed
 * from outside the process. The @Export annotated
 * fields are mapped to jvmstat counters. The counter
 * name is "btrace." + <className> + "." + <fieldName>
 */ 
@BTrace public class ThreadCounter {

    // create a jvmstat counter using @Export
    @Export private static long count;

    @OnMethod(
        clazz="java.lang.Thread",
        method="start"
    ) 
    public static void onnewThread(@Self Thread t) {
        // updating counter is easy. Just assign to
        // the static field!
        count++;
    }

    @OnTimer(2000) 
    public static void ontimer() {
        // we can access counter as "count" as well
        // as from jvmstat counter directly.
        println(count);
        // or equivalently ...
        println(Counters.perfLong("btrace.com.sun.btrace.samples.ThreadCounter.count"));
    }
}

看了上面的用法是不是有所启发？忍不住冒出来许多想法。比如查看HashMap什么时候会触发rehash，以及此时容器中有多少元素等等。

有了BTrace，文章开头的问题可以得到完美的解决。至于BTrace具体有哪些功能，脚本怎么写，这些Git上BTrace工程中有大量的说明和举例，网上介绍BTrace用法的文章更是恒河沙数，这里就不再赘述了。

我们明白了原理，又有好用的工具支持，剩下的就是发挥我们的创造力了，只需在合适的场景下合理地进行使用即可。

既然BTrace能解决上面我们提到的所有问题，那么BTrace的架构是怎样的呢？

BTrace主要有下面几个模块：

1. BTrace脚本：利用BTrace定义的注解，我们可以很方便地根据需要进行脚本的开发。
2. Compiler：将BTrace脚本编译成BTrace class文件。
3. Client：将class文件发送到Agent。
4. Agent：基于Java的Attach Api，Agent可以动态附着到一个运行的JVM上，然后开启一个BTrace Server，接收client发过来的BTrace脚本；解析脚本，然后根据脚本中的规则找到要修改的类；修改字节码后，调用Java Instrument的reTransform接口，完成对对象行为的修改并使之生效。

整个BTrace的架构大致如下：

BTrace工作流程

BTrace最终借Instruments实现class的替换。如上文所说，出于安全考虑，Instruments在使用上存在诸多的限制，BTrace也不例外。BTrace对JVM来说是“只读的”，因此BTrace脚本的限制如下：

1. 不允许创建对象
2. 不允许创建数组
3. 不允许抛异常
4. 不允许catch异常
5. 不允许随意调用其他对象或者类的方法，只允许调用com.sun.btrace.BTraceUtils中提供的静态方法（一些数据处理和信息输出工具）
6. 不允许改变类的属性
7. 不允许有成员变量和方法，只允许存在static public void方法
8. 不允许有内部类、嵌套类
9. 不允许有同步方法和同步块
10. 不允许有循环
11. 不允许随意继承其他类（当然，java.lang.Object除外）
12. 不允许实现接口
13. 不允许使用assert
14. 不允许使用Class对象

如此多的限制，其实可以理解。BTrace要做的是，虽然修改了字节码，但是除了输出需要的信息外，对整个程序的正常运行并没有影响。

原文：https://tech.meituan.com/2019/02/28/java-dynamic-trace.html