Instrumentation接口详解

一、Javaagent

Javaagent相当于一个插件，在JVM启动的时候可以添加 javaagent配置指定启动之前需要启动的agent jar包
这个agent包中需要有MANIFEST.MF文件必须指定Premain-Class配置，且Premain-Class配置指定的Class必须实现premain()方法

在JVM启动的时候，会从agent包中找到MAINIFEST.MF中配置的Class，执行其实现的premain方法，而且这一步是在main方法之前执行的。
这样就可以在JVM启动执行main方法之前做一些其他而外的操作了。

premain方法有两种

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst){
      //执行main方法之前的操作
}

public static void premain(String agentArgs){
      //执行main方法之前的操作
}

agent会优先执行第一个方法，如果第二个方法不存在则才会执行第二个方法。

javaagent使用的步骤主要如下：

1、新建agent项目，新建自定义agent的入口类，如下

 1 public class MyAgent
 2 {
 3     /**
 4      * 参数args是启动参数
 5      * 参数inst是JVM启动时传入的Instrumentation实现
 6      * */
 7     public static void premain(String args,Instrumentation inst)
 8     {
 9         System.out.println("premain方法会在main方法之前执行......");11     }
12 }

2、编辑MANIFEST.MF文件，内容如下：

Mainfest-version: 1.0
Premain-class: cn.lucky.test.agent.MyAgent

3、将agent项目打包成自定义的名字，如 myagent.jar

4、在目标项目启动的时候添加JVM参数

-javaagent: myagent.jar

简单的四步就实现了一个自定义的javaagent，agent的具体实现功能就看自定义的时候如何实现premain（），可以premain方法中添加任何想要在main方法执行之前的逻辑。

premain方法中有一个参数，Instrumentation，这个是才是agent实现更强大的功能都核心所在

Instrumentation接口位于jdk1.6包java.lang.instrument包下，Instrumentation指的是可以独立于应用程序之外的代理程序，可以用来监控和扩展JVM上运行的应用程序，相当于是JVM层面的AOP

功能：

监控和扩展JVM上的运行程序，替换和修改java类定义，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。

比如说一个Java程序在JVM上运行，这时如果需要监控JVM的状态，除了使用JDK自带的jps等命令之外，就可以通过instrument来更直观的获取JVM的运行情况；

或者一个Java方法在JVM中执行，如果我想获取这个方法的执行时间又不想改代码，常用的做法是通过Spring的AOP来实现，而AOP通过面向切面编程，实际上编译出来的类中代码也是被改动的，而instrument是在JVM层面上直接改动java方法来实现

一、Instrumentation接口源码

源码如下：

 public interface Instrumentation
 {
     //添加ClassFileTransformer
     void addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform);

     //添加ClassFileTransformer
     void addTransformer(ClassFileTransformer transformer);

     //移除ClassFileTransformer
     boolean removeTransformer(ClassFileTransformer transformer);

     //是否可以被重新定义
     boolean isRetransformClassesSupported();

     //重新定义Class文件
     void redefineClasses(ClassDefinition... definitions)
         throws ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException;

     //是否可以修改Class文件
     boolean isModifiableClass(Class<?> theClass);

     //获取所有加载的Class
     @SuppressWarnings("rawtypes")
     Class[] getAllLoadedClasses();

     //获取指定类加载器已经初始化的类
     @SuppressWarnings("rawtypes")
     Class[] getInitiatedClasses(ClassLoader loader);

     //获取某个对象的大小
     long getObjectSize(Object objectToSize);

     //添加指定jar包到启动类加载器检索路径
     void appendToBootstrapClassLoaderSearch(JarFile jarfile);

     //添加指定jar包到系统类加载检索路径
     void appendToSystemClassLoaderSearch(JarFile jarfile);

     //本地方法是否支持前缀
     boolean isNativeMethodPrefixSupported();

     //设置本地方法前缀，一般用于按前缀做匹配操作
     void setNativeMethodPrefix(ClassFileTransformer transformer, String prefix);
 }

主要是定义了操作java类的class文件方法，这里又涉及到了ClassFileTransformer接口，这个接口的作用是改变Class文件的字节码，返回新的字节码数组，源码如下：

 public interface ClassFileTransformer
 {

     byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
         ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer)
         throws IllegalClassFormatException;
 }

ClassFileTransformer接口只有一个方法，就是改变指定类的Class文件，该接口没有默认实现，很显然如果需要改变Class文件的内容，需要改成什么样需要使用者自己来实现。

二、Instrumentation接口的使用案例

Instrumentation可以在带有main方法的应用程序之前运行，通过-javaagent参数来指定一个特点的jar文件（包含Instrumentation代理）来启动Instrumentation的代理程序，所以首先需要编写一个Instrumentation的代理程序，案例如下：

新建代理项目

 public class MyAgent
 {
     /**
      * 参数args是启动参数
      * 参数inst是JVM启动时传入的Instrumentation实现
      * */
     public static void premain(String args,Instrumentation inst)
     {
         System.out.println("premain方法会在main方法之前执行......");
         inst.addTransformer(new MyTransformClass());
     }
 }

 ------------------------------------------------------------------------
 public class MyTransformClass implements ClassFileTransformer
 {

     @Override
     public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
         ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer)
         throws IllegalClassFormatException
     {
         // 定义重新编译之后的字符流数组
         byte[] newClassFileBuffer = new byte[classfileBuffer.length];
         String transClassName = "com.mrhu.opin.controller.TestController";//重定义指定类，也可以重定义指定package下的类，使用者自由发挥
         if (className.equals(transClassName))
         {
             System.out.println("监控到目标类,重新编辑Class文件字符流...");
             // TODO 对目标类的Class文件字节流进行重新编辑
             // 对byte[]重新编译可以使用第三方工具如javassist,感兴趣的可自行研究
             // 本文图方便，直接返回旧的字节数组
             newClassFileBuffer = classfileBuffer;
         }
         return newClassFileBuffer;
     }

 }

编译打包项目为 instrumentdemo.jar，然后其他在需要被监控的项目启动参数中添加如下参数：

-javaagent:instrumentdemo.jar 

然后在被监控应用程序执行main方法之前就会先执行premain方法，走instrumentation代理程序，那么在应用程序加载类的时候就会进入到自定义的ClassFileTransformer中

Instrumentation还可以添加多个代理，按照代理指定的顺序依次调用

（详细案例可以自行百度了解，本文只做理论描述）

所以Instrumentation接口相当于一个代理，当执行premain方法时，通过Instrumentation提供的API可以动态的添加管理JVM加载的Class文件，Instrumentation管理着ClassFileTransformer。

ClassFileTransformer接口可以动态的改变Class文件的字节码，在加载字节码的时候可以将字节码进行动态修改，具体实现需要自定义实现类来实现ClassFileTransformer接口

那么premain方法中的Instrumentation对象是如何传入的呢？答案是JVM传入的。

三、Instrumentation的实现原理

说起Instrumentation的原理，就不得不先提起JVMTI，全程是JVM Tool Interface顾名思义是JVM提供的工具接口，也就是JVM提供给用户的扩展接口集合。

JVMTI是基于事件驱动的，JVM每执行到一定的逻辑就会调用一些事件的回调接口，这些接口可以供开发者扩展自行的逻辑。

比如我想监听JVM加载某个类的事件，那么我们就可以实现一个回调函数赋给jvmtiEnv的回调方法集合里的ClassFileLoadHook（Class类加载事件），那么当JVM进行类加载时就会触发回调函数，我们就可以在JVM加载类的时候做一些扩展操作，

比如上面提到的更改这个类的Class文件信息来增强这个类的方法。

JVMTI运行时，一个JVMTIAgent对应一个jvmtiEnv或者是多个，JVMTIAgent是一个动态库，利用JVMTI暴露出来的接口来进行扩展。

主要有三个函数：

Agent_OnLoad方法：如果agent是在启动时加载的，那么在JVM启动过程中会执行这个agent里的Agent_OnLoad函数（通过-agentlib加载vm参数中）

Agent_OnAttach方法：如果agent不是在启动时加载的，而是attach到目标程序上，然后给对应的目标程序发送load命令来加载，则在加载过程中会调用Agent_OnAttach方法

Agent_OnUnload方法：在agent卸载时调用

我们常用的Eclipse等调试代码实际就是使用到了这个JVMTIAgent

回到主题，Instrument 就是一种 JVMTIAgent，它实现了Agent_OnLoad和Agent_OnAttach两个方法，也就是在使用时，Instrument既可以在启动时加载，也可以再运行时加动态加载

启动时加载就是在启动时添加JVM参数：-javaagent:XXXAgent.jar的方式

运行时加载是通过JVM的attach机制来实现，通过发送load命令来加载

3.1、启动时加载

Instrument agent启动时加载会实现Agent_OnLoad方法，具体实现逻辑如下：

1.创建并初始化JPLISAgent

2.监听VMInit事件，在vm初始化完成之后执行下面逻辑

a.创建Instrumentation接口的实例，也就是InstrumentationImpl对象

b.监听ClassFileLoadHook事件（类加载事件）

c.调用InstrumentationImpl类的loadClassAndCallPremain方法，这个方法会调用javaagent的jar包中里的MANIFEST.MF里指定的Premain-Class类的premain方法

3.解析MANIFEST.MF里的参数，并根据这些参数来设置JPLISAgent里的内容

3.2、运行时加载

Instrument agent运行时加载会使用Agent_OnAttach方法，会通过JVM的attach机制来请求目标JVM加载对应的agent，过程如下

1.创建并初始化JPLISAgent

2.解析javaagent里的MANIFEST.MF里的参数

3.创建InstrumentationImpl对象

4.监听ClassFileLoadHook事件

5.调用InstrumentationImpl类的loadClassAndCallPremain方法，这个方法会调用javaagent的jar包中里的MANIFEST.MF里指定的Premain-Class类的premain方法

3.3、ClassFileLoadHook回调实现

启动时加载和运行时加载都是监听同一个jvmti事件那就是ClassFileLoadHook，这个是类加载的事件，在读取类文件字节码之后回调用的，这样就可以对字节码进行修改操作。

在JVM加载类文件时，执行回调，加载Instrument agent，创建Instrumentation接口的实例并且执行premain方法，premain方法中注册自定义的ClassFileTransformer来对字节码文件进行操作，这个就是在加载时进行字节码增强的过程。

那么如果java类已经加载完成了，在运行的过程中需要进行字节码增强的时候还可以使用Instrumentation接口的redifineClasses方法，有兴趣的可以自行研究源码，这里只描述大致过程。

通过执行该方法，在JVM中相当于是创建了一个VM_RedifineClasses的VM_Operation，此时会stop_the_world，具体的执行过程如下：

挨个遍历要批量重定义的 jvmtiClassDefinition
然后读取新的字节码，如果有关注 ClassFileLoadHook 事件的，还会走对应的 transform 来对新的字节码再做修改
字节码解析好，创建一个 klassOop 对象
对比新老类，并要求如下：
父类是同一个
实现的接口数也要相同，并且是相同的接口
类访问符必须一致
字段数和字段名要一致
新增的方法必须是 private static/final 的
可以删除修改方法
对新类做字节码校验
合并新老类的常量池
如果老类上有断点，那都清除掉
对老类做 JIT 去优化
对新老方法匹配的方法的 jmethodId 做更新，将老的 jmethodId 更新到新的 method 上
新类的常量池的 holer 指向老的类
将新类和老类的一些属性做交换，比如常量池，methods，内部类
初始化新的 vtable 和 itable
交换 annotation 的 method、field、paramenter
遍历所有当前类的子类，修改他们的 vtable 及 itable

上面是基本的过程，总的来说就是只更新了类里的内容，相当于只更新了指针指向的内容，并没有更新指针，避免了遍历大量已有类对象对它们进行更新所带来的开销。

另外还可以通过retransform来进行回滚操作，可以回滚到字节码之前的版本。

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总结：

1. Instrumentation相当于一个JVM级别的AOP

2.Instrumentation在JVM启动的时候监听事件，如类加载事件，JVM触发来指定的事件通过回调通知，并创建一个 Instrumentation接口的实例，然后找到MANIFEST.MF中配置的实现了premain方法的Class

然后将Instrumentation实例传入premain方法中

3.premain方法会在main方法之前执行，可以添加ClassFileTransfer来实现对Class文件字节码的动态修改（并不会修改Class文件中的字节码，而是修改已经被JVM加载的字节码）

4.修改字节码的技术可以使用开源的 ASM、javassist、byteBuddy等

执行premain方法是通过在JVM启动的时候实现的动态代理，那么如果想要在JVM的运行过程中实现这个功能该如何实现呢？这就需要使用JVM的attach机制

JVM提供了一种attach机制，简单点说就是可以通过一个JVM来操作、查询另一个JVM中的数据，比如最常用的jmap、jstack等命令就是通过attach机制实现的。

当需要dump一个JVM进程中的堆信息时，此时就可以通过开启另一个JVM进程，如何通过这个JVM进程来和目标JVM进程进行通信，执行想要执行的命令或者查询想要的数据

Attach 实现的根本原理就是使用了 Linux 下是文件 Socket 通信（详情可以自行百度或 Google）。有人也许会问，为什么要采用文件 socket 而不采用网络 socket？我个人认为也许一方面是为了效率（避免了网络协议的解析、数据包的封装和解封装等），另一方面是为了减少对系统资源的占用（如网络端口占用）。采用文件 socket 通信，就好比两个进程通过事先约定好的协议，对同一个文件进行读写操作，以达到信息的交互和共享。简单理解成如下图所示的模型