JAVA Instrumentation

什么是Instrumentation？

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。java.lang.instrument是在JVM TI的基础上提供的Java版本的实现。 Instrumentation提供的主要功能是修改jvm中类的行为。 Java SE6中由两种应用Instrumentation的方式，premain（命令行）和agentmain（运行时）

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：

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。
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 {@Overridepublic 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/IdentityHashMapKeySet.iteratorEntermethod−>java/util/IdentityHashMapKeySet.iterator Enter method-> java/util/IdentityHashMapKeySet.iteratorEntermethod−>java/util/IdentityHashMapIdentityHashMapIterator.hasNext
Enter method-> java/util/IdentityHashMapKeyIterator.nextEntermethod−>java/util/IdentityHashMapKeyIterator.next Enter method-> java/util/IdentityHashMapKeyIterator.nextEntermethod−>java/util/IdentityHashMapIdentityHashMapIterator.nextIndex
Enter method-> java/util/IdentityHashMapIdentityHashMapIterator.hasNextEntermethod−>java/util/IdentityHashMapIdentityHashMapIterator.hasNext Enter method-> java/util/IdentityHashMapIdentityHashMapIterator.hasNextEntermethod−>java/util/IdentityHashMapKeySet.iterator
Enter method-> java/util/IdentityHashMapIdentityHashMapIterator.hasNextEntermethod−>java/util/IdentityHashMapIdentityHashMapIterator.hasNext Enter method-> java/util/IdentityHashMapIdentityHashMapIterator.hasNextEntermethod−>java/util/IdentityHashMapKeyIterator.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：

在manifest中指定Agent-Class属性，值为代理类全路径
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。