Instrumentation（1）

Instrumentation介绍：

Java Instrumentation指的是可以用独立于应用程序之外的代理（agent）程序来监测和协助运行在JVM上的应用程序。这种监测和协助包括但不限于获取JVM运行时状态，替换和修改类定义等。 Java SE5中使用JVM TI替代了JVM PI和JVM DI。提供一套代理机制，支持独立于JVM应用程序之外的程序以代理的方式连接和访问JVM。Instrumentation 的最大作用就是类定义的动态改变和操作。在 Java SE 5 及其后续版本当中，开发者可以在一个普通 Java 程序（带有 main 函数的 Java 类）运行时，通过 – javaagent 参数指定一个特定的 jar 文件（包含 Instrumentation 代理）来启动 Instrumentation 的代理程序。

premain方式
在Java SE5时代，Instrument只提供了premain一种方式，即在真正的应用程序（包含main方法的程序）main方法启动前启动一个代理程序。例如使用如下命令：

java -javaagent:agent_jar_path[=options] java_app_name

可以在启动名为java_app_name的应用之前启动一个agent_jar_path指定位置的agent jar。 实现这样一个agent jar包，必须满足两个条件：

1. 在这个jar包的manifest文件中包含Premain-Class属性，并且改属性的值为代理类全路径名。
2. 代理类必须提供一个public static void premain(String args, Instrumentation inst)或 public static void premain(String args) 方法。

当在命令行启动该代理jar时，VM会根据manifest中指定的代理类，使用于main类相同的系统类加载器（即ClassLoader.getSystemClassLoader()获得的加载器）加载代理类。在执行main方法前执行premain()方法。如果premain(String args, Instrumentation inst)和premain(String args)同时存在时，优先使用前者。其中方法参数args即命令中的options，类型为String（注意不是String[]），因此如果需要多个参数，需要在方法中自己处理（比如用";"分割多个参数之类）；inst是运行时由VM自动传入的Instrumentation实例，可以用于获取VM信息。

premain实例-打印所有的方法调用
下面实现一个打印程序执行过程中所有方法调用的功能，这个功能可以通过AOP其他方式实现，这里只是尝试使用Instrumentation进行ClassFile的字节码转换实现：

构造agent类

premain方式的agent类必须提供premain方法，代码如下：

package test;

import java.lang.instrument.Instrumentation;

public class Agent {

    public static void premain(String args, Instrumentation inst){
        System.out.println("Hi, I'm agent!");
        inst.addTransformer(new TestTransformer());
    }
}

premain有两个参数，args为自定义传入的代理类参数，inst为VM自动传入的Instrumentation实例。 premain方法的内容很简单，除了标准输出外，只有

inst.addTransformer(new TestTransformer());

这行代码的意思是向inst中添加一个类的转换器。用于转换类的行为。

构造Transformer

下面来实现上述过程中的TestTransformer来完成打印调用方法的类定义转换。

package test;

import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException;
import java.security.ProtectionDomain;

import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.Opcodes;
import org.objectweb.asm.tree.ClassNode;
import org.objectweb.asm.tree.FieldInsnNode;
import org.objectweb.asm.tree.InsnList;
import org.objectweb.asm.tree.LdcInsnNode;
import org.objectweb.asm.tree.MethodInsnNode;
import org.objectweb.asm.tree.MethodNode;

public class TestTransformer implements ClassFileTransformer {

    @Override
    public byte[] transform(ClassLoader arg0, String arg1, Class<?> arg2,
            ProtectionDomain arg3, byte[] arg4)
            throws IllegalClassFormatException {
        ClassReader cr = new ClassReader(arg4);
        ClassNode cn = new ClassNode();
        cr.accept(cn, 0);
        for (Object obj : cn.methods) {
            MethodNode md = (MethodNode) obj;
            if ("<init>".endsWith(md.name) || "<clinit>".equals(md.name)) {
                continue;
            }
            InsnList insns = md.instructions;
            InsnList il = new InsnList();
            il.add(new FieldInsnNode(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System",
                    "out", "Ljava/io/PrintStream;"));
            il.add(new LdcInsnNode("Enter method-> " + cn.name+"."+md.name));
            il.add(new MethodInsnNode(Opcodes.INVOKEVIRTUAL,
                    "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V"));
            insns.insert(il);
            md.maxStack += 3;

        }
        ClassWriter cw = new ClassWriter(0);
        cn.accept(cw);
        return cw.toByteArray();
    }

}

TestTransformer实现了ClassFileTransformer接口，该接口只有一个transform方法，参数传入包括该类的类加载器，类名，原字节码字节流等，返回被转换后的字节码字节流。 TestTransformer主要使用ASM实现在所有的类定义的方法中，在方法开始出添加了一段打印该类名和方法名的字节码。在转换完成后返回新的字节码字节流。详细的ASM使用请参考ASM手册。

设置MANIFEST.MF

设置MANIFEST.MF文件中的属性，文件内容如下：

Manifest-Version: 1.0
Premain-Class: test.Agent
Created-By: 1.6.0_29

测试
代码编写完成后将代码编译打成agent.jar。 编写测试代码：

public class TestAgent {

    public static void main(String[] args) {
        TestAgent ta = new TestAgent();
        ta.test();
    }

    public void test() {
        System.out.println("I'm TestAgent");
    }

}

从命令行执行该类，并设置agent.jar

java -javaagent:agent.jar TestAgent

将打印出程序运行过程中实际执行过的所有方法名：

Hi, I'm agent!
Enter method-> test/TestAgent.main
Enter method-> test/TestAgent.test
I'm TestAgent
Enter method-> java/util/IdentityHashMap$KeySet.iterator
Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.hasNext
Enter method-> java/util/IdentityHashMap$KeyIterator.next
Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.nextIndex
Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.hasNext
Enter method-> java/util/IdentityHashMap$KeySet.iterator
Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.hasNext
Enter method-> java/util/IdentityHashMap$KeyIterator.next
Enter method-> java/util/IdentityHashMap$IdentityHashMapIterator.nextIndex
Enter method-> com/apple/java/Usage$3.run
。。。

从输出中可以看出，程序首先执行的是代理类中的premain方法（不过代理类自身不会被自己转换，所以不能打印出代理类的方法名），然后是应用程序中的main方法。

agentmain方式

premain时Java SE5开始就提供的代理方式，给了开发者诸多惊喜，不过也有些须不变，由于其必须在命令行指定代理jar，并且代理类必须在main方法前启动。因此，要求开发者在应用前就必须确认代理的处理逻辑和参数内容等等，在有些场合下，这是比较苦难的。比如正常的生产环境下，一般不会开启代理功能，但是在发生问题时，我们不希望停止应用就能够动态的去修改一些类的行为，以帮助排查问题，这在应用启动前是无法确定的。 为解决运行时启动代理类的问题，Java SE6开始，提供了在应用程序的VM启动后在动态添加代理的方式，即agentmain方式。 与Permain类似，agent方式同样需要提供一个agent jar，并且这个jar需要满足：

1. 在manifest中指定Agent-Class属性，值为代理类全路径
2. 代理类需要提供public static void agentmain(String args, Instrumentation inst)或public static void agentmain(String args)方法。并且再二者同时存在时以前者优先。args和inst和premain中的一致。

不过如此设计的再运行时进行代理有个问题——如何在应用程序启动之后再开启代理程序呢？ JDK6中提供了Java Tools API，其中Attach API可以满足这个需求。

Attach API中的VirtualMachine代表一个运行中的VM。其提供了loadAgent()方法，可以在运行时动态加载一个代理jar。具体需要参考《Attach API》

agentmain实例-打印当前已加载的类

构造agent类

agentmain方式的代理类必须提供agentmain方法：

package loaded;

import java.lang.instrument.Instrumentation;

public class LoadedAgent {
    @SuppressWarnings("rawtypes")
    public static void agentmain(String args, Instrumentation inst){
        Class[] classes = inst.getAllLoadedClasses();
        for(Class cls :classes){
            System.out.println(cls.getName());
        }
    }
}

agentmain方法通过传入的Instrumentation实例获取当前系统中已加载的类。

设置MANNIFEST.MF

设置MANIFEST.MF文件，指定Agent-Class:

Manifest-Version: 1.0
Agent-Class: loaded.LoadedAgent
Created-By: 1.6.0_29

绑定到目标VM

将agent类和MANIFEST.MF文件编译打成loadagent.jar后，由于agent main方式无法向pre main方式那样在命令行指定代理jar，因此需要借助Attach Tools API。

package attach;

import java.io.IOException;

import com.sun.tools.attach.AgentInitializationException;
import com.sun.tools.attach.AgentLoadException;
import com.sun.tools.attach.AttachNotSupportedException;
import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws AttachNotSupportedException,
            IOException, AgentLoadException, AgentInitializationException {
        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(args[0]);
        vm.loadAgent("/Users/jiangbo/Workspace/code/java/javaagent/loadagent.jar");

    }

}

该程序接受一个参数为目标应用程序的进程id，通过Attach Tools API的VirtualMachine.attach方法绑定到目标VM，并向其中加载代理jar。

构造目标测试程序

构造一个测试用的目标应用程序：

package attach;

public class TargetVM {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        while(true){
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

这个测试程序什么都不做，只是不停的sleep。:) 运行该程序，获得进程ID=33902。 运行上面绑定到VM的Test程序，将进程id作为参数传入：

java attach.Test 33902

观察输出，会打印出系统当前所有已经加载类名

java.lang.NoClassDefFoundError
java.lang.StrictMath
java.security.SignatureSpi
java.lang.Runtime
java.util.Hashtable$EmptyEnumerator
sun.security.pkcs.PKCS7
java.lang.InterruptedException
java.io.FileDescriptor$1
java.nio.HeapByteBuffer
java.lang.ThreadGroup
[Ljava.lang.ThreadGroup;
java.io.FileSystem
。。。

参考文档

• java.lang.instrument API docs
• The Attach API
• Java SE6新特性：Instrumentation新功能

附：agent jar中manifest的属性

• Premain-Class: 当在VM启动时，在命令行中指定代理jar时，必须在manifest中设置Premain-Class属性，值为代理类全类名，并且该代理类必须提供premain方法。否则JVM会异常终止。
• Agent-Class: 当在VM启动之后，动态添加代理jar包时，代理jar包中manifest必须设置Agent-Class属性，值为代理类全类名，并且该代理类必须提供agentmain方法，否则无法启动该代理。
• Boot-Class-Path: Bootstrap class loader加载类时的搜索路径，可选。
• Can-Redefine-Classes: true/false；标示代理类是否能够重定义类。可选。
• Can-Retransform-Classes: true/false；标示代理类是否能够转换类定义。可选。
• Can-Set-Native-Prefix::true/false；标示代理类是否需要本地方法前缀，可选。

当一个代理jar包中的manifest文件中既有Premain-Class又有Agent-Class时，如果以命令行方式在VM启动前指定代理jar，则使用Premain-Class；反之如果在VM启动后，动态添加代理jar，则使用Agent-Class