• Java對象行為
  • java.lang.instrument.Instrumentation
  • 直接操作位元組碼
  • BTrace
  • Arthas
  • 三生萬物
  • 《Netty 實現原理與源碼解析 —— 精品合集》
  • 《Spring 實現原理與源碼解析 —— 精品合集》
  • 《MyBatis 實現原理與源碼解析 —— 精品合集》
  • 《Spring MVC 實現原理與源碼解析 —— 精品合集》
  • 《Spring Boot 實現原理與源碼解析 —— 精品合集》
  • 《資料庫實體設計合集》
  • 《Java 面試題 —— 精品合集》
  • 《Java 學習指南 —— 精品合集》

在遙遠的希艾斯星球爪哇國塞沃城中，兩名年輕的程序員正在為一件事情苦惱，程序出問題了，一時看不出問題出在哪裡，於是有了以下對話：

「Debug一下吧。」

「線上機器，沒開Debug埠。」

「看日誌，看看請求值和返回值分別是什麼？」

「那段代碼沒列印日誌。」

「改代碼，加日誌，重新發布一次。」

「懷疑是線程池的問題，重啟會破壞現場。」

長達幾十秒的沉默之後：「據說，排查問題的最高境界，就是隻通過Review代碼來發現問題。」

比幾十秒長幾十倍的沉默之後：「我輪詢了那段代碼一十七遍之後，終於得出一個結論。」

「結論是？」

「我還沒到達只通過Review代碼就能發現問題的至高境界。」

Java對象行為

文章開頭的問題本質上是動態改變內存中已存在對象的行為問題。

所以，得先弄清楚JVM中和對象行為有關的地方在哪裡，有沒有更改的可能性。

對象使用兩種東西來描述事物：行為和屬性。

舉個例子：

public class Person{
private int age;
private String name;
public void speak(String str) {
System.out.println(str);
}
public Person(int age, String name) {
this.age = age;
this.name = name;
}
}

上面Person類中age和name是屬性，speak是行為。對象是類的實例，每個對象的屬性都屬於對象本身，但是每個對象的行為卻是公共的。舉個例子，比如我們現在基於Person類創建了兩個對象，personA和personB：

Person personA = new Person(43, "lixunhuan");
personA.speak("我是李尋歡");
Person personB = new Person(23, "afei");
personB.speak("我是阿飛");

personA和personB有各自的姓名和年齡，但是有共同的行為：speak。想像一下，如果我們是Java語言的設計者，我們會怎麼存儲對象的行為和屬性呢？

「很簡單，屬性跟著對象走，每個對象都存一份。行為是公共的東西，抽離出來，單獨放到一個地方。」

「咦？抽離出公共的部分，跟代碼復用好像啊。」

「大道至簡，很多東西本來都是殊途同歸。」

也就是說，第一步我們首先得找到存儲對象行為的這個公共的地方。一番搜索之後，我們發現這樣一段描述：

Method area is created on virtual machine startup, shared among all Java virtual machine threads and it is logically part of heap area. It stores per-class structures such as the run-time constant pool, field and method data, and the code for methods and constructors.

Java的對象行為（方法、函數）是存儲在方法區的。

「方法區中的數據從哪來？」

「方法區中的數據是類載入時從class文件中提取出來的。」

「class文件從哪來？」

「從Java或者其他符合JVM規範的源代碼中編譯而來。」

「源代碼從哪來？」

「廢話，當然是手寫！」

「倒著推，手寫沒問題，編譯沒問題，至於載入……有沒有辦法載入一個已經載入過的類呢？如果有的話，我們就能修改位元組碼中目標方法所在的區域，然後重新載入這個類，這樣方法區中的對象行為（方法）就被改變了，而且不改變對象的屬性，也不影響已經存在對象的狀態，那麼就可以搞定這個問題了。可是，這豈不是違背了JVM的類載入原理？畢竟我們不想改變ClassLoader。」

「少年，可以去看看java.lang.instrument.Instrumentation。」

java.lang.instrument.Instrumentation

看完文檔之後，我們發現這麼兩個介面：redefineClasses和retransformClasses。一個是重新定義class，一個是修改class。這兩個大同小異，看redefineClasses的說明：

This method is used to replace the definition of a class without reference to the existing class file bytes, as one might do when recompiling from source for fix-and-continue debugging. Where the existing class file bytes are to be transformed (for example in bytecode instrumentation) retransformClasses should be used.

都是替換已經存在的class文件，redefineClasses是自己提供位元組碼文件替換掉已存在的class文件，retransformClasses是在已存在的位元組碼文件上修改後再替換之。

當然，運行時直接替換類很不安全。比如新的class文件引用了一個不存在的類，或者把某個類的一個field給刪除了等等，這些情況都會引發異常。所以如文檔中所言，instrument存在諸多的限制：

The redefinition may change method bodies, the constant pool and attributes. The redefinition must not add, remove or rename fields or methods, change the signatures of methods, or change inheritance. These restrictions maybe be lifted in future versions. The class file bytes are not checked, verified and installed until after the transformations have been applied, if the resultant bytes are in error this method will throw an exception.

我們能做的基本上也就是簡單修改方法內的一些行為，這對於我們開頭的問題，列印一段日誌來說，已經足夠了。當然，我們除了通過retransform來列印日誌，還能做很多其他非常有用的事情，這個下文會進行介紹。

那怎麼得到我們需要的class文件呢？一個最簡單的方法，是把修改後的Java文件重新編譯一遍得到class文件，然後調用redefineClasses替換。但是對於沒有（或者拿不到，或者不方便修改）源碼的文件我們應該怎麼辦呢？其實對於JVM來說，不管是Java也好，Scala也好，任何一種符合JVM規範的語言的源代碼，都可以編譯成class文件。JVM的操作對象是class文件，而不是源碼。所以，從這種意義上來講，我們可以說「JVM跟語言無關」。既然如此，不管有沒有源碼，其實我們只需要修改class文件就行了。

直接操作位元組碼

Java是軟體開發人員能讀懂的語言，class位元組碼是JVM能讀懂的語言，class位元組碼最終會被JVM解釋成機器能讀懂的語言。無論哪種語言，都是人創造的。所以，理論上（實際上也確實如此）人能讀懂上述任何一種語言，既然能讀懂，自然能修改。只要我們願意，我們完全可以跳過Java編譯器，直接寫位元組碼文件，只不過這並不符合時代的發展罷了，畢竟高級語言設計之始就是為我們人類所服務，其開發效率也比機器語言高很多。

對於人類來說，位元組碼文件的可讀性遠遠沒有Java代碼高。儘管如此，還是有一些傑出的程序員們創造出了可以用來直接編輯位元組碼的框架，提供介面可以讓我們方便地操作位元組碼文件，進行注入修改類的方法，動態創造一個新的類等等操作。其中最著名的框架應該就是ASM了，cglib、Spring等框架中對於位元組碼的操作就建立在ASM之上。

我們都知道，Spring的AOP是基於動態代理實現的，Spring會在運行時動態創建代理類，代理類中引用被代理類，在被代理的方法執行前後進行一些神祕的操作。那麼，Spring是怎麼在運行時創建代理類的呢？動態代理的美妙之處，就在於我們不必手動為每個需要被代理的類寫代理類代碼，Spring在運行時會根據需要動態地創造出一個類。這裡創造的過程並非通過字元串寫Java文件，然後編譯成class文件，然後載入。Spring會直接「創造」一個class文件，然後載入，創造class文件的工具，就是ASM了。

到這裡，我們知道了用ASM框架直接操作class文件，在類中加一段列印日誌的代碼，然後retransform就可以了。

BTrace

截止到目前，我們都是停留在理論描述的層面。那麼如何進行實現呢？先來看幾個問題：

  1. 在我們的工程中，誰來做這個尋找位元組碼，修改位元組碼，然後retransform的動作呢？我們並非先知，不可能知道未來有沒有可能遇到文章開頭的這種問題。考慮到性價比，我們也不可能在每個工程中都開發一段專門做這些修改位元組碼、重新載入位元組碼的代碼。
  2. 如果JVM不在本地，在遠程呢？
  3. 如果連ASM都不會用呢？能不能更通用一些，更「傻瓜」一些。

幸運的是，因為有BTrace的存在，我們不必自己寫一套這樣的工具了。什麼是BTrace呢？BTrace已經開源，項目描述極其簡短：

A safe, dynamic tracing tool for the Java platform.

BTrace是基於Java語言的一個安全的、可提供動態追蹤服務的工具。BTrace基於ASM、Java Attach API、Instrument開發，為用戶提供了很多註解。依靠這些註解，我們可以編寫BTrace腳本（簡單的Java代碼）達到我們想要的效果，而不必深陷於ASM對位元組碼的操作中不可自拔。

看BTrace官方提供的一個簡單例子：攔截所有java.io包中所有類中以read開頭的方法，列印類名、方法名和參數名。當程序IO負載比較高的時候，就可以從輸出的信息中看到是哪些類所引起，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);
}
}

再來看另一個例子：每隔2秒列印截止到當前創建過的線程數。

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啟發？忍不住冒出來許多想法。比如查看HashMap什麼時候會觸發rehash，以及此時容器中有多少元素等等。

有了BTrace，文章開頭的問題可以得到完美的解決。至於BTrace具體有哪些功能，腳本怎麼寫，這些Git上BTrace工程中有大量的說明和舉例，網上介紹BTrace用法的文章更是恆河沙數，這裡就不再贅述了。

我們明白了原理，又有好用的工具支持，剩下的就是發揮我們的創造力了，只需在合適的場景下合理地進行使用即可。

既然BTrace能解決上面我們提到的所有問題，那麼BTrace的架構是怎樣的呢？

BTrace主要有下面幾個模塊：

  1. BTrace腳本：利用BTrace定義的註解，我們可以很方便地根據需要進行腳本的開發。
  2. Compiler：將BTrace腳本編譯成BTrace class文件。
  3. Client：將class文件發送到Agent。
  4. Agent：基於Java的Attach API，Agent可以動態附著到一個運行的JVM上，然後開啟一個BTrace Server，接收client發過來的BTrace腳本；解析腳本，然後根據腳本中的規則找到要修改的類；修改位元組碼後，調用Java Instrument的retransform介面，完成對對象行為的修改並使之生效。

整個BTrace的架構大致如下：

btrace工作流程

BTrace最終借Instrument實現class的替換。如上文所說，出於安全考慮，Instrument在使用上存在諸多的限制，BTrace也不例外。BTrace對JVM來說是「只讀的」，因此BTrace腳本的限制如下：

  1. 不允許創建對象
  2. 不允許創建數組
  3. 不允許拋異常
  4. 不允許catch異常
  5. 不允許隨意調用其他對象或者類的方法，只允許調用com.sun.btrace.BTraceUtils中提供的靜態方法（一些數據處理和信息輸出工具）
  6. 不允許改變類的屬性
  7. 不允許有成員變數和方法，只允許存在static public void方法
  8. 不允許有內部類、嵌套類
  9. 不允許有同步方法和同步塊
  10. 不允許有循環
  11. 不允許隨意繼承其他類（當然，java.lang.Object除外）
  12. 不允許實現介面
  13. 不允許使用assert
  14. 不允許使用Class對象

如此多的限制，其實可以理解。BTrace要做的是，雖然修改了位元組碼，但是除了輸出需要的信息外，對整個程序的正常運行並沒有影響。

Arthas

BTrace腳本在使用上有一定的學習成本，如果能把一些常用的功能封裝起來，對外直接提供簡單的命令即可操作的話，那就再好不過了。阿里的工程師們早已想到這一點，就在去年，阿里巴巴開源了自己的Java診斷工具——Arthas

Arthas提供簡單的命令行操作，功能強大。究其背後的技術原理，和本文中提到的大致無二。Arthas的文檔很全面，想詳細瞭解的話可以戳這裡。

本文旨在說明Java動態追蹤技術的來龍去脈，掌握技術背後的原理之後，只要願意，各位讀者也可以開發出自己的「冰封王座」出來。

三生萬物

現在，讓我們試著站在更高的地方「俯瞰」這些問題。

Java的Instrument給運行時的動態追蹤留下了希望，Attach API則給運行時動態追蹤提供了「出入口」，ASM則大大方便了「人類」操作Java位元組碼的操作。

基於Instrument和Attach API前輩們創造出了諸如JProfiler、Jvisualvm、BTrace這樣的工具。以ASM為基礎發展出了cglib、動態代理，繼而是應用廣泛的Spring AOP。

Java是靜態語言，運行時不允許改變數據結構。然而，Java 5引入Instrument，Java 6引入Attach API之後，事情開始變得不一樣了。雖然存在諸多限制，然而，在前輩們的努力下，僅僅是利用預留的近似於「只讀」的這一點點狹小的空間，仍然創造出了各種大放異彩的技術，極大地提高了軟體開發人員定位問題的效率。

計算機應該是人類有史以來最偉大的發明之一，從電磁感應磁生電，到高低電壓模擬0和1的比特，再到二進位表示出幾種基本類型，再到基本類型表示出無窮的對象，最後無窮的對象組合交互模擬現實生活乃至整個宇宙。

兩千五百年前，《道德經》有言：「道生一，一生二，二生三，三生萬物。」

兩千五百年後，計算機的發展過程也大抵如此吧。

來源：美團技術博客

:-D 搜索微信號（ID：芋道源碼），可以獲得各種 Java 源碼解析、原理講解、面試題、學習指南。

:-D 並且，回復【書籍】後，可以領取筆者推薦的各種 Java 從入門到架構的 100 本書籍。

:-D 並且，回復【技術羣】後，可以加入專門討論 Java、後端、架構的技術羣。

推薦閱讀：

相關文章