Java 調式、熱部署、JVM 背后的支持者 Java Agent

我們平時寫 Java Agent 的機會確實不多，也可以說幾乎用不着。但其實我們一直在用它，而且接觸的機會非常多。下面這些技術都使用了 Java Agent 技術，看一下你就知道為什么了。

-各個 Java IDE 的調試功能，例如 eclipse、IntelliJ ；

-熱部署功能，例如 JRebel、XRebel、 spring-loaded；

-各種線上診斷工具，例如 Btrace、Greys，還有阿里的 Arthas；

-各種性能分析工具，例如 Visual VM、JConsole 等；

Java Agent 直譯過來叫做 Java 代理，還有另一種稱呼叫做 Java 探針。首先說 Java Agent 是一個 jar 包，只不過這個 jar 包不能獨立運行，它需要依附到我們的目標 JVM 進程中。我們來理解一下這兩種叫法。

代理：比方說我們需要了解目標 JVM 的一些運行指標，我們可以通過 Java Agent 來實現，這樣看來它就是一個代理的效果，我們最后拿到的指標是目標 JVM ,但是我們是通過 Java Agent 來獲取的，對於目標 JVM 來說，它就像是一個代理；

探針：這個說法我感覺非常形象，JVM 一旦跑起來，對於外界來說，它就是一個黑盒。而 Java Agent 可以像一支針一樣插到 JVM 內部，探到我們想要的東西，並且可以注入東西進去。

拿上面的幾個我們平時會用到的技術舉例子。拿 IDEA 調試器來說吧，當開啟調試功能后，在 debugger 面板中可以看到當前上下文變量的結構和內容，還可以在 watches 面板中運行一些簡單的代碼，比如取值賦值等操作。還有 Btrace、Arthas 這些線上排查問題的工具，比方說有接口沒有按預期的返回結果，但日志又沒有錯誤，這時，我們只要清楚方法的所在包名、類名、方法名等，不用修改部署服務，就能查到調用的參數、返回值、異常等信息。

上面只是說到了探測的功能，而熱部署功能那就不僅僅是探測這么簡單了。熱部署的意思就是說再不重啟服務的情況下，保證最新的代碼邏輯在服務生效。當我們修改某個類后，通過 Java Agent 的 instrument 機制，把之前的字節碼替換為新代碼所對應的字節碼。

Java Agent 結構

Java Agent 最終以 jar 包的形式存在。主要包含兩個部分，一部分是實現代碼，一部分是配置文件。

配置文件放在 META-INF 目錄下，文件名為 MANIFEST.MF 。包括以下配置項：

Manifest-Version: 版本號
Created-By: 創作者
Agent-Class: agentmain 方法所在類
Can-Redefine-Classes: 是否可以實現類的重定義
Can-Retransform-Classes: 是否可以實現字節碼替換
Premain-Class: premain 方法所在類

入口類實現 agentmain 和 premain 兩個方法即可，方法要實現什么功能就由你的需求決定了。

Java Agent 實現和使用

接下來就來實現一個簡單的 Java Agent，基於 Java 1.8，主要實現兩點簡單的功能：

1、打印當前加載的所有類的名稱；

2、監控一個特定的方法，在方法中動態插入簡單的代碼並獲取方法返回值；

在方法中插入代碼主要是用到了字節碼修改技術，字節碼修改技術主要有 javassist、ASM，已經 ASM 的高級封裝可擴展 cglib，這個例子中用的是 javassist。所以需要引入相關的 maven 包。

<dependency>
    <groupId>javassist</groupId>
    <artifactId>javassist</artifactId>
    <version>3.12.1.GA</version>
</dependency>

實現入口類和功能邏輯

入口類上面也說了，要實現 agentmain 和 premain 兩個方法。這兩個方法的運行時機不一樣。這要從 Java Agent 的使用方式來說了，Java Agent 有兩種啟動方式，一種是以 JVM 啟動參數 -javaagent:xxx.jar 的形式隨着 JVM 一起啟動，這種情況下，會調用 premain方法，並且是在主進程的 main方法之前執行。另外一種是以 loadAgent 方法動態 attach 到目標 JVM 上，這種情況下，會執行 agentmain方法。

加載方式	執行方法
-javaagent:xxx.jar 參數形式	premain
動態 attach	agentmain

代碼實現如下：

package kite.lab.custom.agent;

import java.lang.instrument.Instrumentation;

public class MyCustomAgent {
    /**
     * jvm 參數形式啟動，運行此方法
     * @param agentArgs
     * @param inst
     */
    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst){
        System.out.println("premain");
        customLogic(inst);
    }

    /**
     * 動態 attach 方式啟動，運行此方法
     * @param agentArgs
     * @param inst
     */
    public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst){
        System.out.println("agentmain");
        customLogic(inst);
    }

    /**
     * 打印所有已加載的類名稱
     * 修改字節碼
     * @param inst
     */
    private static void customLogic(Instrumentation inst){
        inst.addTransformer(new MyTransformer(), true);
        Class[] classes = inst.getAllLoadedClasses();
        for(Class cls :classes){
            System.out.println(cls.getName());
        }
    }
}

我們看到這兩個方法都有參數 agentArgs 和 inst，其中 agentArgs 是我們啟動 Java Agent 時帶進來的參數，比如-javaagent:xxx.jar agentArgs。Instrumentation Java 開放出來的專門用於字節碼修改和程序監控的實現。我們要實現的打印已加載類和修改字節碼也就是基於它來實現的。其中 inst.getAllLoadedClasses()一個方法就實現了獲取所以已加載類的功能。

inst.addTransformer方法則是實現字節碼修改的關鍵，后面的參數就是實現字節碼修改的實現類，代碼如下：

public class MyTransformer implements ClassFileTransformer {

    @Override
    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
        System.out.println("正在加載類："+ className);
        if (!"kite/attachapi/Person".equals(className)){
            return classfileBuffer;
        }

        CtClass cl = null;
        try {
            ClassPool classPool = ClassPool.getDefault();
            cl = classPool.makeClass(new ByteArrayInputStream(classfileBuffer));
            CtMethod ctMethod = cl.getDeclaredMethod("test");
            System.out.println("獲取方法名稱："+ ctMethod.getName());

            ctMethod.insertBefore("System.out.println(\" 動態插入的打印語句 \");");
            ctMethod.insertAfter("System.out.println($_);");

            byte[] transformed = cl.toBytecode();
            return transformed;
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();

        }
        return classfileBuffer;
    }
}

以上代碼的邏輯就是當碰到加載的類是 kite.attachapi.Person的時候，在其中的 test 方法開始時插入一條打印語句，打印內容是"動態插入的打印語句"，在test方法結尾處，打印返回值，其中$_就是返回值，這是 javassist 里特定的標示符。

MANIFEST.MF 配置文件

在目錄 resources/META-INF/ 下創建文件名為 MANIFEST.MF 的文件，在其中加入如下的配置內容：

Manifest-Version: 1.0
Created-By: fengzheng
Agent-Class: kite.lab.custom.agent.MyCustomAgent
Can-Redefine-Classes: true
Can-Retransform-Classes: true
Premain-Class: kite.lab.custom.agent.MyCustomAgent

配置打包所需的 pom 設置

最后 Java Agent 是以 jar 包的形式存在，所以最后一步就是將上面的內容打到一個 jar 包里。

在 pom 文件中加入以下配置

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
            <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
            <configuration>
                <archive>
                    <manifestFile>src/main/resources/META-INF/MANIFEST.MF</manifestFile>
                </archive>
                <descriptorRefs>
                    <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
                </descriptorRefs>
            </configuration>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

用的是 maven 的 maven-assembly-plugin 插件，注意其中要用 manifestFile 指定 MANIFEST.MF 所在路徑，然后指定 jar-with-dependencies ，將依賴包打進去。

上面這是一種打包方式，需要單獨的 MANIFEST.MF 配合，還有一種方式，不需要在項目中單獨的添加 MANIFEST.MF 配置文件，完全在 pom 文件中配置上即可。

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
            <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
            <executions>
                <execution>
                    <goals>
                        <goal>attached</goal>
                    </goals>
                    <phase>package</phase>
                    <configuration>
                        <descriptorRefs>
                            <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
                        </descriptorRefs>
                        <archive>
                            <manifestEntries>
                                <Premain-Class>kite.agent.vmargsmethod.MyAgent</Premain-Class>
                                <Agent-Class>kite.agent.vmargsmethod.MyAgent</Agent-Class>
                                <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
                                <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
                            </manifestEntries>
                        </archive>
                    </configuration>
                </execution>
            </executions>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

這種方式是將 MANIFEST.MF 的內容全部寫作 pom 配置中，打包的時候就會自動將配置信息生成 MANIFEST.MF 配置文件打進包里。

運行打包命令

接下來就簡單了，執行一條 maven 命令即可。

mvn assembly:assembly

最后打出來的 jar 包默認是以「項目名稱-版本號-jar-with-dependencies.jar」這樣的格式生成到 target 目錄下。

運行打包好的 Java Agent

首先寫一個簡單的測試項目，用來作為目標 JVM，稍后會以兩種方式將 Java Agent 掛到這個測試項目上。

package kite.attachapi;

import java.util.Scanner;

public class RunJvm {

    public static void main(String[] args){
        System.out.println("按數字鍵 1 調用測試方法");
        while (true) {
            Scanner reader = new Scanner(System.in);
            int number = reader.nextInt();
            if(number==1){
                Person person = new Person();
                person.test();
            }
        }
    }
}

以上只有一個簡單的 main 方法，用 while 的方式保證線程不退出，並且在輸入數字 1 的時候，調用 person.test()方法。

以下是 Person 類

package kite.attachapi;

public class Person {

    public String test(){
        System.out.println("執行測試方法");
        return "I'm ok";
    }
}

以命令行的方式運行

因為項目是在 IDEA 里創建的，為了省事兒，我就直接在 IDEA 的 「Run/Debug Configurations」里加參數了。

-javaagent:/java-agent路徑/lab-custom-agent-1.0-SNAPSHOT-jar-with-dependencies.jar

然后直接運行就可以看到效果了，會看到加載的類名稱。然后輸入數字鍵 "1"，會看到字節碼修改后的內容。

以動態 attach 的方式運行

測試之前先要把這個測試項目跑起來，並把之前的參數去掉。運行后，找到這個它的進程id，一般利用jps -l即可。

動態 attach 的方式是需要代碼實現的，實現代碼如下：

public class AttachAgent {

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach("pid(進程號)");
        vm.loadAgent("java-agent路徑/lab-custom-agent-1.0-SNAPSHOT-jar-with-dependencies.jar");
    }
}

運行上面的 main 方法 並在測試程序中輸入“1”，會得到上圖同樣的結果。

發現了沒，我們到這里實現的簡單的功能是不是和 BTrace 和 Arthas 有點像呢。我們攔截了指定的一個方法，並在這個方法里插入了代碼而且拿到了返回結果。如果把方法名稱變成可配置項，並且把返回結果保存到一個公共位置，例如一個內存數據庫，是不是我們就可以像 Arthas 那樣輕松的檢測線上問題了呢。當然了，Arthas 要復雜的多，但原理是一樣的。

sun.management.Agent 的實現

不知道你平時有沒有用過 visualVM 或者 JConsole 之類的工具，其實，它們就是用了 management-agent.jar 這個Java Agent 來實現的。如果我們希望 Java 服務允許遠程查看 JVM 信息，往往會配置上一下這些參數：

-Dcom.sun.management.jmxremote
-Djava.rmi.server.hostname=192.168.1.1
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=9999
-Dcom.sun.management.jmxremote.rmi.port=9999
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false

這些參數都是 management-agent.jar 定義的。

我們進到 management-agent.jar 包下，看到只有一個 MANIFEST.MF 配置文件，配置內容為：

Manifest-Version: 1.0
Created-By: 1.7.0_07 (Oracle Corporation)
Agent-Class: sun.management.Agent
Premain-Class: sun.management.Agent

可以看到入口 class 為 sun.management.Agent，進到這個類里面可以找到 agentmain 和 premain，並可以看到它們的邏輯。在這個類的開始，能看到我們前面對服務開啟遠程 JVM 監控需要開啟的那些參數定義。

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