目录
- 1. 技术背景
- 2. 技术能做什么
- 3. 实现原理
- 4. 技术使用
- 5. 最佳实践及注意事项
- 6. 代码示例
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- • 在所有方法执行前后打印日志
- • 统计运行期间所有方法的执行时间
- • 代码热替换
技术背景
- • 定义：Java Agent是Java虚拟机提供的一种instrumentation(字节码增强)机制，允许在运行状态的Java程序中动态修改部分类的行为。它主要用于支持应用程序监控、故障检修、统计分析等功能。
- • 历史背景：在Java Agent出现之前，Java程序在运行期间一般无法被修改，这给很多应用带来了不便，比如无法对运行中的程序进行故障诊断、性能监控等。程序员不得不依赖于编译期静态工具或者重启应用的方式。
- • 创新点：Java Agent能在运行时修改Java字节码，可以不重启应用程序就为其植入额外功能，如日志记录、性能监控、调试等。这使得Java Agent成为增强Java应用透明度、扩展其功能的利器。
- • 发展趋势：随着云原生、微服务等架构模式的兴起，可观察性变得越来越重要。Java Agent由于其独特优势，在诸多开源监控方案中发挥着重要作用，可以预见它的应用会越来越广泛。
技术能做什么
- • 无侵入式增强现有应用: Java Agent可在运行时动态修改类的字节码，增加新功能而无需修改现有代码。
- • 诊断和监控: 通过增加日志记录、指标收集等逻辑，可实现对运行中应用的诊断和监控。
- • 性能分析和优化:在方法调用点插入计时逻辑，可精确分析各方法的耗时，为性能调优提供依据。
- • 热部署代码: Java Agent可在运行时替换已加载的类的字节码，实现类的热替换和热部署。
- • 安全增强: 通过字节码植入，可增强安全检查机制，如敏感数据加解密、权限控制等
实现原理
Java Agent利用了Java虚拟机的Instrumentation(字节码增强)特性。其主要原理和关键技术点包括:
- • Instrumentation工具接口: Java虚拟机允许应用程序通过实现 Instrumentation接口编写代理代码。
- • Agent注册: 应用程序启动时将Agent注册到JVM，通过Premain-Class或Agentmain-Class在指定位置加载并执行Agent代码。
- • 字节码转换: Agent通过ClassFileTransformer转换加载的类的字节码，实现对类行为的修改。常用的字节码操作框架有ASM、BCEL、Javassist等。
- • HotSwap热替换: Agent代码可修改已加载类的定义，在类重新加载时通过redefinition操作替换现有类。
- • Attach机制: JVM提供了Attach机制，允许Agent运行于已启动的JVM进程中，实现动态加载
技术使用
使用Java Agent的典型步骤包括:
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- 编写Agent代码: 实现ClassFileTransformer接口提供字节码转换逻辑，或实现其他Instrumentation接口。通常使用现有框架如ASM来简化操作。
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- 打包Agent: 将Agent代码打包为jar文件，并在MANIFEST.MF中指定Premain-Class或Agentmain-Class启动入口。
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- 应用部署:
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- • 静态部署:在启动命令行指定-javaagent参数加载Agent jar。
- • 动态附加:使用attach命令将Agent动态部署到运行中的JVM进程。
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- 功能验证: 确认字节码转换效果，检查Agent输出、应用行为变化等。
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- Agent管理: 根据需要动态卸载或者重新部署新版本的Agent。
最佳实践及注意事项
- • 谨慎使用: 由于涉及低层次字节码操作，存在一定风险，生产环境使用需经充分测试。
- • 框架选择: 选择成熟的操作字节码框架如ASM等，避免重复"发明轮子"。
- • 性能影响: Agent代码会增加一定性能开销，应尽量减少不必要的字节码修改。
- • 代码复杂度: 由于涉及到字节码层面的操作，开发人员应具备较强的Java虚拟机相关知识。
- • 版本一致性: 升级了应用程序，版本不匹配可能导致Agent失效，需要同步升级。
- • 可观察性: 为Agent代码增加日志、指标等，以便监控其运行状态。
代码示例
在所有方法执行前后打印日志
import javassist.*;
public class LogAgent {
public static void premain(String agentArgs， Instrumentation inst) {
inst.addTransformer(new MethodLogTransformer());
}
}
class MethodLogTransformer implements ClassFileTransformer {
public byte[] transform(ClassLoader loader， String className，
Class<?> classBeingRedefined，
ProtectionDomain protectionDomain，
byte[] classfileBuffer) {
try {
ClassPool cp = ClassPool.getDefault();
CtClass ctclass = cp.get(className.replaceAll("/"， "."));
// 使用javassist库修改方法字节码
for(CtMethod m : ctclass.getDeclaredMethods()) {
m.addLocalVariable("start"， ConstPool.getLongType());
m.insertBefore("start = System.currentTimeMillis();");
m.insertAfter("System.out.println("Call to " + $0 + " took " + (System.currentTimeMillis() - start) + " ms.");");
}
return ctclass.toBytecode();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
}
这个示例使用了Javassist字节码操作库，对每个方法插入了打印执行前后时间戳的代码，从而实现了方法执行监控的功能。
统计运行期间所有方法的执行时间
// 实现转换器，对所有载入的类应用转换
public class MyTransformer implements ClassFileTransformer {
@Override
public byte[] transform(ClassLoader loader， String className， Class<?> classBeingRedefined， ProtectionDomain protectionDomain， byte[] classfileBuffer) {
// 跳过非应用类
if (className.startsWith("java/") || className.startsWith("jdk/")) {
return null;
}
// 使用ASM框架操作字节码
ClassNode cn = new ClassNode();
ClassReader cr = new ClassReader(classfileBuffer);
cr.accept(cn， 0);
// 遍历类中所有方法
for (MethodNode mn : cn.methods) {
// 记录原始方法签名
String signature = mn.name + mn.desc;
// 插入方法计时代码
InsnList code = new InsnList();
code.add(new MethodInsnNode(Opcodes.INVOKESTATIC， "java/lang/System"， "currentTimeMillis"， "()J"， false));
// 保存入栈时间戳
code.add(new InsnNode(Opcodes.LDC， signature));
code.add(new MethodInsnNode(Opcodes.INVOKESTATIC， "MyAgent"， "logEntry"， "(Ljava/lang/String;J)V"， false));
code.add(new InsnNode(Opcodes.NOP));
mn.instructions.insert(code);
}
ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
cn.accept(cw);
return cw.toByteArray();
}
}
该转换器使用ASM遍历所有要加载的类，并对其中的每个方法插入一段代码，用于在方法执行前记录当前时间戳。配合MyAgent类的logEntry方法即可统计各方法的执行耗时。
public class MyAgent {
private static final Map<String， Long> entries = new HashMap<>();
public static void premain(String args， Instrumentation inst) {
// 注册自定义转换器
inst.addTransformer(new MyTransformer());
}
public static void logEntry(String signature， long entryTime) {
entries.put(signature， entryTime);
}
public static void logExit(String signature) {
Long entryTime = entries.remove(signature);
if (entryTime != null) {
long cost = System.currentTimeMillis() - entryTime;
System.out.printf("Method %s took %d ms%n"， signature， cost);
}
}
}
MyAgent包含premain入口注册自定义转换器，同时提供了logEntry和logExit方法来记录方法开始执行和结束的时间，并计算每个方法的耗时。使用时，只需要将MyAgent打包为jar，并通过命令行-javaagent参数指定加载即可。
代码热替换
import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException;
import java.lang.instrument.Instrumentation;
import java.security.ProtectionDomain;
import org.objectweb.asm.ClassReader;
import org.objectweb.asm.ClassVisitor;
import org.objectweb.asm.ClassWriter;
import org.objectweb.asm.MethodVisitor;
import org.objectweb.asm.Opcodes;
/**
* Java Agent用于在运行时修改字节码，实现代码热替换
*/
public class HotSwapAgent {
public static void premain(String args， Instrumentation inst) {
inst.addTransformer(new ClassTransformer());
}
static class ClassTransformer implements ClassFileTransformer {
@Override
public byte[] transform(ClassLoader loader， String className， Class<?> classBeingRedefined，
ProtectionDomain protectionDomain， byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
// 只修改目标类的字节码
if (!className.equals("com/example/Target")) {
return classfileBuffer;
}
ClassReader cr = new ClassReader(classfileBuffer);
ClassWriter cw = new ClassWriter(cr， ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
ClassVisitor cv = new TargetClassVisitor(cw);
cr.accept(cv， ClassReader.EXPAND_FRAMES);
return cw.toByteArray();
}
}
/**
* 修改目标类中的方法
*/
static class TargetClassVisitor extends ClassVisitor {
public TargetClassVisitor(ClassVisitor cv) {
super(Opcodes.ASM9， cv);
}
@Override
public MethodVisitor visitMethod(int access， String name， String descriptor， String signature， String[] exceptions) {
MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access， name， descriptor， signature， exceptions);
if (name.equals("updateValue") && descriptor.equals("(I)V")) {
mv = new TargetMethodVisitor(mv);
}
return mv;
}
}
/**
* 修改目标方法的字节码
*/
static class TargetMethodVisitor extends MethodVisitor {
public TargetMethodVisitor(MethodVisitor mv) {
super(Opcodes.ASM9， mv);
}
@Override
public void visitCode() {
super.visitCode();
// 在方法入口插入打印语句
mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC， "java/lang/System"， "out"， "Ljava/io/PrintStream;");
mv.visitLdcInsn("Entering updateValue method");
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL， "java/io/PrintStream"， "println"， "(Ljava/lang/String;)V"， false);
}
}
}
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- HotSwapAgent类是一个Java Agent，它的premain方法会在JVM启动时被调用，用于注册字节码转换器(ClassTransformer)。
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- ClassTransformer实现了ClassFileTransformer接口，它的transform方法会在每次加载类时被调用，我们可以在这里修改目标类的字节码。
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- TargetClassVisitor是一个ClassVisitor，它会访问类中的每个方法，对于名为updateValue的方法，会使用TargetMethodVisitor来修改它的字节码。
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- TargetMethodVisitor是一个MethodVisitor，它会在目标方法的入口处插入一条打印语句，实现在运行时修改方法行为的目的。
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- 要使用这个Java Agent，需要在JVM启动时指定-javaagent参数，例如:
java -javaagent:/path/to/HotSwapAgent.jar com.example.Main -
- 在程序运行过程中，每次加载com.example.Target类时，HotSwapAgent都会修改其updateValue方法的字节码，在方法入口处插入打印语句。如果需要修改其他类或方法，只需要更改相应的条件判断即可
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- 使用Java Agent和ASM技术可以实现代码热替换，但需要注意以下几点:
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- • 需要了解Java Agent和ASM的基本原理，以及如何使用它们。
- • 只能修改方法体内的字节码，无法添加或删除方法、字段等;
- • 对已加载的类的修改不会影响之前的实例，只会影响新创建的实例;
- • 需要重新定义类可能导致一些意外行为，如锁的释放等;
- • 性能开销较大，不适合在生产环境中使用。
使用Java Agent和ASM技术实现代码热替换主要用于开发和调试阶段，可以加快迭代速度，但不推荐在生产环境中使用。对于生产环境，还是推荐传统的停止服务、重新部署的方式
