本文由一個(gè)攔截器邏輯的使用場(chǎng)景及演變歷程，引入字節(jié)碼增強(qiáng)技術(shù)。介紹字節(jié)碼的本質(zhì)，字節(jié)碼增強(qiáng)的原理及JVM 啟動(dòng)過(guò)程中的 Agent 加載、生效流程，并對(duì)常見(jiàn)字節(jié)碼操作工具進(jìn)行了簡(jiǎn)單應(yīng)用。

注：本文僅討論 javaagent “啟動(dòng)時(shí)加載”。

一、技術(shù)為業(yè)務(wù)需求服務(wù)

技術(shù)是工具，是解決問(wèn)題的途徑。針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求場(chǎng)景，可以使用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)一部攔截器的流浪史來(lái)引入主題：

一個(gè)簡(jiǎn)單的demo

1、基礎(chǔ)版:新建一個(gè)Dog對(duì)象，然后調(diào)用成員方法輸出到控制臺(tái)

被調(diào)用方

調(diào)用方

2、加強(qiáng)版：需要統(tǒng)計(jì)方法執(zhí)行的時(shí)間

常規(guī)開(kāi)發(fā)：

被調(diào)用方

調(diào)用方

3、從被調(diào)用方剝離非業(yè)務(wù)邏輯

面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則，對(duì)象應(yīng)該盡可能專注自己職責(zé)范圍內(nèi)的事情，狗只負(fù)責(zé)叫，不負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)自己叫了多長(zhǎng)時(shí)間，因此統(tǒng)計(jì)代碼應(yīng)該移出Dog類。

3.1 方法提取

3.2 類提取–(參考SpringMVC-Interceptor)

3.3 類解耦合（使用動(dòng)態(tài)代理方式-CGLib/JDK Proxy，這里Dog類沒(méi)有實(shí)現(xiàn)接口，使用CGLib）

至此，非業(yè)務(wù)邏輯由從被調(diào)用方剝離出來(lái)了，同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)調(diào)用方代碼卻遭到改變，Main class里面需要添加動(dòng)態(tài)代理類的處理邏輯。假如不允許改變調(diào)用方代碼，進(jìn)一步處理。

4、調(diào)用方代碼剝離（切面–AspectJ）

切面

被調(diào)方

調(diào)用方

注意：此時(shí)直接運(yùn)行Main class切面不會(huì)生效，運(yùn)行前先進(jìn)行編譯期織入 java -jar $ASPECTJ\_TOOLS -cp$ ASPECTJ_RT -sourceroots src/main/java/ -d target/classes ...

至此，調(diào)用方不用顯式地調(diào)用動(dòng)態(tài)代理邏輯，編譯期織入到class中去了（這里已經(jīng)聞到了代碼增強(qiáng)的氣味了）。

切面邏輯雖然與具體的業(yè)務(wù)邏輯解耦合了，獨(dú)立出切面類。但是是否生效仍然由業(yè)務(wù)代碼(切面類)去控制。無(wú)論如何，都需要業(yè)務(wù)方改造，添加切面邏輯代碼。

能不能更進(jìn)一步，連切面都不寫(xiě)，也讓切面邏輯生效呢？

5、javaagent 版本–隱式地，無(wú)侵入地添加切面邏輯

新建獨(dú)立的agent工程
添加MANIFEST.MF文件以及Premain-Class,premain屬性
編譯包含目標(biāo)邏輯的源文件生成class文件
注冊(cè)ClassFileTransfer，在transform方法中替換byte[]
MANIFEST.MF指定premain函數(shù)和打開(kāi)類增強(qiáng)開(kāi)關(guān)
編譯輸出jar包

MANIFEST.MF文件。

待替換的新class文件（忽略中文亂碼）。

class轉(zhuǎn)換器，將新的Dog.class替換舊的Dog.class。

maven打包輸出Agent.jar

上面的javaagent實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可以先存疑，后面會(huì)深入描述，只需要知道按照這樣的步驟可以實(shí)現(xiàn)我們的需求。

對(duì)于業(yè)務(wù)方而言：代碼完全沒(méi)有變化：

被調(diào)用方

調(diào)用方

想要使切面邏輯生效，只需要在啟動(dòng)命令參數(shù)中加入-javaagent 選項(xiàng)，指向 Agent 的 jar 包。

這樣，攔截器邏輯以一種插件的形式抽取出來(lái)了，使用的時(shí)候加載插件就可以了。

小結(jié)一下

不同需求場(chǎng)景下，可以不同的方式實(shí)現(xiàn)切面攔截邏輯；
AspectJ或者SpringAop只是一種對(duì)開(kāi)發(fā)者友好的快捷方式，本質(zhì)上還是修改的業(yè)務(wù)代碼，只不過(guò)隱藏了調(diào)用邏輯，并不能真正“無(wú)侵入“；
javaagent可以無(wú)侵入的修改一個(gè)已發(fā)布的java組件的運(yùn)行邏輯。

二、什么是字節(jié)碼？

byte[]

1、回歸原始：JDK 里面提供了很多有用的工具

在我們剛開(kāi)始學(xué)習(xí) Java 語(yǔ)言時(shí)候的 demo 運(yùn)行：

編寫(xiě)原始 Java 文件：

使用 Javac 編譯字節(jié)碼文件：

Javac生產(chǎn)的 class 文件有什么作用呢？

Java 語(yǔ)言一次編譯，到處運(yùn)行的核心基礎(chǔ)-JVM。

2、class文件到底是個(gè)什么東西？

先用文本編輯器暴力打開(kāi)看看：

看不懂？換個(gè)方式：

想看個(gè)明白？繼續(xù)整：使用010editor打開(kāi)。

各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)按順序緊密的從前向后排列，相鄰的項(xiàng)之間沒(méi)有間隙，這樣可以使得class文件非常緊湊，體積輕巧，可以被JVM快速的加載至內(nèi)存，并且占據(jù)較少的內(nèi)存空間。

主要包含的信息：

（1）魔數(shù)

（2）版本號(hào)（參考文末例子：JRE版本錯(cuò)誤）

（3）常量池容量

（4）常量池：

文字字符串，常量值
當(dāng)前類的類名，字段名，方法名，各個(gè)字段和方法的描述符
對(duì)當(dāng)前類的字段和方法的引用信息，當(dāng)前類中對(duì)其他類的引用信息等等

（5）其他屬性

常量池如何索引：

相互索引：

例如方法索引，獲取classIndex和nameAndTypeIndex，通過(guò)數(shù)組下標(biāo)，可以找到該方法所屬的class和方法名稱。

MethodRef

|-----|classIndex
|-----|-----|nameIndex     --→ classNmae
|-----|nameAndTypeIndex
|-----|-----|nameIndex     --→ methodName

常量池索引和字節(jié)碼指令的執(zhí)行。

使用jre自帶工具javap反編譯class文件如下：

Main.class字節(jié)碼：

Dog.class字節(jié)碼：

可以看到字節(jié)碼具備一定的可讀性，對(duì)照著源碼，可以按照?qǐng)?zhí)行邏輯走一遍字節(jié)碼執(zhí)行流程，相關(guān)指令的含義很容易從網(wǎng)上查詢到。

至此，我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的demo執(zhí)行流程，大致了解了常量的引用以及一個(gè)簡(jiǎn)單java方法對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼指令執(zhí)行過(guò)程。

注：

**stack：**最大操作數(shù)棧，JVM運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)這個(gè)值來(lái)分配棧幀(Frame)中的操作棧深度。

**locals：**局部變量所需的存儲(chǔ)空間，單位為Slot。

args_size: 方法參數(shù)的個(gè)數(shù)。

壓棧：字節(jié)碼指令執(zhí)行過(guò)程中涉及到了很多壓棧操作：JVM是一個(gè)基于棧的架構(gòu)。方法執(zhí)行的時(shí)候（包括main方法），在棧上會(huì)分配一個(gè)新的幀，這個(gè)棧幀包含一組局部變量。

這組局部變量包含了方法運(yùn)行過(guò)程中用到的所有變量，包括this引用，所有的方法參數(shù)，以及其它局部定義的變量。

小結(jié)一下

class文件即字節(jié)碼是所有屬性，方法邏輯的合集。
通過(guò)字節(jié)碼二進(jìn)制文件將開(kāi)發(fā)者與虛擬機(jī)進(jìn)行了“解耦”。
推理：修改某些字節(jié)或者替換整個(gè)二進(jìn)制流可以修改運(yùn)行時(shí)邏輯。

三、如何增強(qiáng)字節(jié)碼？

byte[] → byte[]

思路：

如前述方式直接替換為目標(biāo)邏輯編譯后的字節(jié)碼。
手術(shù)刀式精準(zhǔn)操作，修改/添加某些位置的byte。
高級(jí)API。

工具集：/ASM/javaassist/ByteBuddy 等等。

示例：

ASM

指令級(jí)別的字節(jié)碼操作（性能強(qiáng)悍）。

指令→ASM api 對(duì)應(yīng)關(guān)系（這里將原始類做了簡(jiǎn)化，將字符串拼接邏輯去掉，僅僅輸出時(shí)間。因?yàn)橐粋€(gè)簡(jiǎn)單的字符串拼接過(guò)程，轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼指令可能需要很多行）。

先看看目標(biāo)源碼與字節(jié)碼指令的一一映射關(guān)系。

再看看增強(qiáng)字節(jié)碼邏輯與目標(biāo)源碼的字節(jié)碼的一一映射關(guān)系。

38.png

通過(guò)對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，ASM的API精確到字節(jié)碼指令級(jí)別，所有的臨時(shí)變量存儲(chǔ)，壓棧操作，靜態(tài)/實(shí)例方法的調(diào)用都有對(duì)應(yīng)的API操作。

javassist：（dubbo）

提供字節(jié)碼級(jí)別的API，類似ASM，不再贅述。

提供源碼級(jí)別的API，針對(duì)本文的案例，實(shí)現(xiàn)如下：

ByteBuddy

基于ASM的高級(jí)API，使我們對(duì)字節(jié)碼的操作提升到更抽象層次。開(kāi)發(fā)者只需要知道要實(shí)現(xiàn)什么目標(biāo)，如何使用對(duì)應(yīng)的API，不用關(guān)心底層的字節(jié)碼指令排列，甚至可以不用了解字節(jié)碼指令。

關(guān)于相關(guān)框架的API不詳細(xì)說(shuō)，有興趣的同學(xué)可以自行查詢相關(guān)資料。

小結(jié)一下

各種級(jí)別的API可以幫助開(kāi)發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)字節(jié)碼增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)特定邏輯。
不論什么奇技淫巧，都離不開(kāi)Instrumentation機(jī)制。

四、增強(qiáng)的 byte[] 是如何影響 JVM 的？

Event --> CallBack

由前文總結(jié)，引入Instrumentation機(jī)制。

1、鋪墊知識(shí)點(diǎn)：

（1）JVMTI

JVMTI 是基于事件驅(qū)動(dòng)的,JVM 每執(zhí)行到一定的邏輯就會(huì)調(diào)用一些事件的回調(diào)接口（如果有的話），這些接口可以供開(kāi)發(fā)者擴(kuò)展自己的邏輯。

JVMTIAgent 使用JVMTI來(lái)查詢或控制JVM,JVMTIAgent與目標(biāo)JVM運(yùn)行在同一個(gè)進(jìn)程中，通過(guò)JVMTI進(jìn)行通信，最大化控制能力，最小化通信成本。

典型場(chǎng)景下，JVMTI代理會(huì)被實(shí)現(xiàn)的非常緊湊，其他的進(jìn)程會(huì)與JVMTI代理進(jìn)行通信。比如jdwp（IDEA遠(yuǎn)程調(diào)試）。

（2）JVMTIAgent

表現(xiàn)形式：

（1）linux: .so文件

windows: .dll文件
c/c++ 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

（2）JPLISAgent： .jar文件

命令行參數(shù)

（1）-agentlib:agent-lib-name=options

（2）-agentpath:path-to-agent=options

（3）-javaagent:/data/../../Agent.jar

可加載多個(gè)，通過(guò)options區(qū)分

實(shí)現(xiàn)接口

（1）JNIEXPORT jint JNICALL

Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *options, void *reserved);

（2）JNIEXPORT jint JNICALL

Agent_OnAttach(JavaVM vm, char options, void* reserved);

（3）JNIEXPORT void JNICALL

Agent_OnUnload(JavaVM *vm);

JPLISAgent（Java Programming Language Instrumentation Services Agent）-- Instrumentation機(jī)制

（1）JavaSE1.5 啟動(dòng)時(shí)加載（本文重點(diǎn)）。

（2）JavaSE1.6 運(yùn)行時(shí)加載。

2、簡(jiǎn)化了的核心流程邏輯

命令參數(shù)：-javaagent:/data/../../Agent.jar=optoions。

虛擬機(jī)創(chuàng)建-構(gòu)建并初始化Agent-注冊(cè)VMInit事件。

虛擬機(jī)初始化-觸發(fā)VMInit事件-Agent start方法-注冊(cè)回調(diào)函數(shù)并監(jiān)聽(tīng)ClassFileLoadHook。

類加載-觸發(fā)jvmtiEventClassFileLoadHook事件-替換byt[]-ClassLoader解析。

3、Java 虛擬機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中 Agent 相關(guān)的流程：

（1）創(chuàng)建JVM的時(shí)候初始化agent

啟動(dòng)時(shí)讀取jvm命令，-agentlib -agentpath -javaagent，并構(gòu)建了Agent Library鏈表構(gòu)建了Agent Library鏈表。
對(duì)agent鏈表中的每個(gè)agent，加載所指定的動(dòng)態(tài)庫(kù)(如instrument.so)，并調(diào)用里面的Agent_OnLoad方法。
創(chuàng)建并初始化 JPLISAgent，初始化了Premain class和包里的配置文件。
注冊(cè)VMInit事件。

Agent_onLoad
|-----|createNewJPLISAgent
|-----|-----|initializeJPLISAgent
|-----|-----|-----|eventHandlerVMInit  ---- >   VMInit

（2）虛擬機(jī)初始化

實(shí)際上是調(diào)用 java 類 sun.instrument.InstrumentationImpl 類里的方法loadClassAndCallPremain。

（3）觸發(fā)ClassFileLoadHook事件

|parseClassFile
|-----|post_class_file_load_hook
|-----|-----|post_to_env
|-----|-----|-----|eventHandlerClassFileLoadHook（jvmtiEventClassFileLoadHook回調(diào)函數(shù)）
|-----|-----|-----|-----|transformClassFile
|-----|-----|-----|-----|-----|CallObjectMethod
|-----|-----|-----|-----|-----|-----|sun.instrument.InstrumentationImpl.transform()

實(shí)際調(diào)用的java方法 Instrumentationimpl.transform。

debug過(guò)程中通過(guò)ClassFileTransformer的transform函數(shù)的執(zhí)行堆棧印證。

到這里，增強(qiáng)的byte[]如何生效并影響運(yùn)行時(shí)class的過(guò)程基本可以串起來(lái)。

小結(jié)一下

虛擬機(jī)創(chuàng)建階段，初始化agent，解析，加載javaagent jar，注冊(cè)回調(diào)函數(shù)監(jiān)聽(tīng)VMInt事件。
虛擬機(jī)初始化階段，觸發(fā)VMInt回調(diào)函數(shù)，注冊(cè)回調(diào)函數(shù)監(jiān)聽(tīng)ClassFileHook事件，同時(shí)執(zhí)行l(wèi)oadClassAndCallPremain函數(shù)，注冊(cè)transformer。
ClassLoader加載類的時(shí)候觸發(fā)tranform回調(diào)，判斷是否目標(biāo)類，進(jìn)行對(duì)應(yīng)字節(jié)碼替換。

五、應(yīng)用

監(jiān)控
調(diào)試
混淆
AOP增強(qiáng)
日志記錄

非常規(guī)應(yīng)用：IDEA破解。

部分破解教程里面下載插件jar后，會(huì)要求你在IDEA的啟動(dòng)參數(shù)文件idea.vmoptions中添加一行，就是javaagent參數(shù)。

我們可以反編譯這個(gè)插件jar包看看，發(fā)現(xiàn)很多class因?yàn)榧恿嘶煜淳幾g后無(wú)法正常識(shí)別，但是核心入口Agent.class的主要工作就是注冊(cè)Transformer，可以推測(cè)這些Transformer的功能就是在IDEA啟動(dòng)時(shí)之前修改某些鑒定Lisence的邏輯。

六、總結(jié)回顧

通過(guò)介紹字節(jié)碼，字節(jié)碼操作工具以及openJDK關(guān)于Instrumention機(jī)制的部分源碼，探索了字節(jié)碼增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)原理。

簡(jiǎn)單介紹了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

七、附錄

SpringMVC-Interceptor

IDEA 遠(yuǎn)程調(diào)試

JRE版本錯(cuò)誤

作者： Neo

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字節(jié)碼增強(qiáng)：原理與實(shí)戰(zhàn)

字節(jié)碼增強(qiáng)：原理與實(shí)戰(zhàn)

一、技術(shù)為業(yè)務(wù)需求服務(wù)

一個(gè)簡(jiǎn)單的demo

1、基礎(chǔ)版:新建一個(gè)Dog對(duì)象，然后調(diào)用成員方法輸出到控制臺(tái)

2、加強(qiáng)版：需要統(tǒng)計(jì)方法執(zhí)行的時(shí)間

3、從被調(diào)用方剝離非業(yè)務(wù)邏輯

3.1 方法提取

3.2 類提取–(參考SpringMVC-Interceptor)

3.3 類解耦合（使用動(dòng)態(tài)代理方式-CGLib/JDK Proxy，這里Dog類沒(méi)有實(shí)現(xiàn)接口，使用CGLib）

4、調(diào)用方代碼剝離（切面–AspectJ）

5、javaagent 版本–隱式地，無(wú)侵入地添加切面邏輯

小結(jié)一下

二、什么是字節(jié)碼？

1、回歸原始：JDK 里面提供了很多有用的工具

2、class文件到底是個(gè)什么東西？

小結(jié)一下

三、如何增強(qiáng)字節(jié)碼？

ASM

javassist：（dubbo）

ByteBuddy

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四、增強(qiáng)的 byte[] 是如何影響 JVM 的？

1、鋪墊知識(shí)點(diǎn)：

（1）JVMTI

（2）JVMTIAgent

2、簡(jiǎn)化了的核心流程邏輯

3、Java 虛擬機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中 Agent 相關(guān)的流程：

（1）創(chuàng)建JVM的時(shí)候初始化agent

（2）虛擬機(jī)初始化

（3）觸發(fā)ClassFileLoadHook事件

小結(jié)一下

五、應(yīng)用

六、總結(jié)回顧

七、附錄

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字節(jié)碼增強(qiáng)：原理與實(shí)戰(zhàn)

一、技術(shù)為業(yè)務(wù)需求服務(wù)

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1、基礎(chǔ)版:新建一個(gè)Dog對(duì)象，然后調(diào)用成員方法輸出到控制臺(tái)

2、加強(qiáng)版：需要統(tǒng)計(jì)方法執(zhí)行的時(shí)間

3、從被調(diào)用方剝離非業(yè)務(wù)邏輯

3.1 方法提取

3.2 類提取–(參考SpringMVC-Interceptor)

3.3 類解耦合（使用動(dòng)態(tài)代理方式-CGLib/JDK Proxy，這里Dog類沒(méi)有實(shí)現(xiàn)接口，使用CGLib）

4、調(diào)用方代碼剝離（切面–AspectJ）

5、javaagent 版本–隱式地，無(wú)侵入地添加切面邏輯

小結(jié)一下

二、什么是字節(jié)碼？

1、回歸原始：JDK 里面提供了很多有用的工具

2、class文件到底是個(gè)什么東西？

小結(jié)一下

三、如何增強(qiáng)字節(jié)碼？

ASM

javassist：（dubbo）

ByteBuddy

小結(jié)一下

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1、鋪墊知識(shí)點(diǎn)：

（1）JVMTI

（2）JVMTIAgent

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3、Java 虛擬機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中 Agent 相關(guān)的流程：

（1）創(chuàng)建JVM的時(shí)候初始化agent

（2）虛擬機(jī)初始化

（3）觸發(fā)ClassFileLoadHook事件

小結(jié)一下

五、應(yīng)用

六、總結(jié)回顧

七、附錄

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