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詳解Java動態(tài)字節(jié)碼技術

更新時間：2021年05月27日 10:22:40 作者：枕邊書

Java字節(jié)碼增強指的是在Java字節(jié)碼生成之后，對其進行修改，增強其功能，可減少冗余代碼，提高性能等。本文將詳細介紹Java動態(tài)字節(jié)碼技術。

對 Debug 的好奇

初學 Java 時，我對 IDEA 的 Debug 非常好奇，不止是它能查看斷點的上下文環(huán)境，更神奇的是我可以在斷點處使用它的 Evaluate 功能直接執(zhí)行某些命令，進行一些計算或改變當前變量。

剛開始語法不熟經(jīng)常寫錯代碼，重新打包部署一次代碼耗時很長，我就直接面向 Debug 開發(fā)。在要編寫的方法開始處打一個斷點，在 Evaluate 框內(nèi)一次次地執(zhí)行方法函數(shù)不停地調(diào)整代碼，沒問題后再將代碼復制出來放到 IDEA 里，再進行下一個方法的編寫，這樣就跟寫 PHP 類似的解釋性語言一樣，寫完即執(zhí)行，非常方便。

但 Java 是靜態(tài)語言，運行之前是要先進行編譯的，難道我寫的這些代碼是被實時編譯又”注入”到我正在 Debug 的服務里了嗎？

隨著對 Java 的愈加熟悉，我也了解了反射、字節(jié)碼等技術，直到前些天的周會分享，有位同事分享了 Btrace 的使用和實現(xiàn)，提到了 Java 的 ASM 框架和 JVM TI 接口。 Btrace 修改代碼能力的實現(xiàn)與 Debug 的 Evaluate 有很多相似之處，這大大吸引了我。分享就像一個引子，從中學到的東西只是皮毛，要了解它還是要自己研究。于是自己查看資料并寫代碼學習了下其具體實現(xiàn)。

ASM

實現(xiàn) Evaluate 要解決的第一個問題就是怎么改變原有代碼的行為，它的實現(xiàn)在 Java 里被稱為動態(tài)字節(jié)碼技術。

動態(tài)生成字節(jié)碼

我們知道，我們編寫的 Java 代碼都是要被編譯成字節(jié)碼后才能放到 JVM 里執(zhí)行的，而字節(jié)碼一旦被加載到虛擬機中，就可以被解釋執(zhí)行。

字節(jié)碼文件（.class）就是普通的二進制文件，它是通過 Java 編譯器生成的。而只要是文件就可以被改變，如果我們用特定的規(guī)則解析了原有的字節(jié)碼文件，對它進行修改或者干脆重新定義，這不就可以改變代碼行為了么。

Java 生態(tài)里有很多可以動態(tài)生成字節(jié)碼的技術，像 BCEL、Javassist、ASM、CGLib 等，它們各有自己的優(yōu)勢。有的使用復雜卻功能強大、有的簡單確也性能些差。

ASM 框架

ASM 是它們中最強大的一個，使用它可以動態(tài)修改類、方法，甚至可以重新定義類，連 CGLib 底層都是用 ASM 實現(xiàn)的。

當然，它的使用門檻也很高，使用它需要對 Java 的字節(jié)碼文件有所了解，熟悉 JVM 的編譯指令。雖然我對 JVM 的字節(jié)碼語法不熟，但有大神開發(fā)了可以在 IDEA 里查看字節(jié)碼的插件：ASM Bytecode Outline，在要查看的類文件里右鍵選擇Show bytecode Outline即可以右側(cè)的工具欄查看我們要生成的字節(jié)碼。對照著示例，我們就可以很輕松地寫出操作字節(jié)碼的 Java 代碼了。

而切到ASMified標簽欄，我們甚至可以直接獲取到 ASM 的使用代碼。

常用方法

在 ASM 的代碼實現(xiàn)里，最明顯的就是訪問者模式，ASM 將對代碼的讀取和操作都包裝成一個訪問者，在解析 JVM 加載到的字節(jié)碼時調(diào)用。

ClassReader 是 ASM 代碼的入口，通過它解析二進制字節(jié)碼，實例化時它時，我們需要傳入一個 ClassVisitor，在這個 Visitor 里，我們可以實現(xiàn)visitMethod()/visitAnnotation()等方法，用以定義對類結(jié)構(gòu)（如方法、字段、注解）的訪問方法。

而 ClassWriter 接口繼承了 ClassVisitor 接口，我們在實例化類訪問器時，將 ClassWriter “注入” 到里面，以實現(xiàn)對類寫入的聲明。

Instrument

介紹

字節(jié)碼是修改完了，可是 JVM 在執(zhí)行時會使用自己的類加載器加載字節(jié)碼文件，加載后并不會理會我們做出的修改，要想實現(xiàn)對現(xiàn)有類的修改，我們還需要搭配 Java 的另一個庫instrument。

instrument 是 JVM 提供的一個可以修改已加載類文件的類庫。1.6以前，instrument 只能在 JVM 剛啟動開始加載類時生效，之后，instrument 更是支持了在運行時對類定義的修改。

使用

要使用 instrument 的類修改功能，我們需要實現(xiàn)它的ClassFileTransformer接口定義一個類文件轉(zhuǎn)換器。它唯一的一個transform()方法會在類文件被加載時調(diào)用，在 transform 方法里，我們可以對傳入的二進制字節(jié)碼進行改寫或替換，生成新的字節(jié)碼數(shù)組后返回，JVM 會使用 transform 方法返回的字節(jié)碼數(shù)據(jù)進行類的加載。

JVM TI

定義完了字節(jié)碼的修改和重定義方法，但我們怎么才能讓 JVM 能夠調(diào)用我們提供的類轉(zhuǎn)換器呢？這里又要介紹到 JVM TI 了。

介紹

JVM TI（JVM Tool Interface）JVM 工具接口是 JVM 提供的一個非常強大的對 JVM 操作的工具接口，通過這個接口，我們可以實現(xiàn)對 JVM 多種組件的操作，從JVMTM Tool Interface這里我們認識到 JVM TI 的強大，它包括了對虛擬機堆內(nèi)存、類、線程等各個方面的管理接口。

JVM TI 通過事件機制，通過接口注冊各種事件勾子，在 JVM 事件觸發(fā)時同時觸發(fā)預定義的勾子，以實現(xiàn)對各個 JVM 事件的感知和反應。

Agent

Agent 是 JVM TI 實現(xiàn)的一種方式。我們在編譯 C 項目里鏈接靜態(tài)庫，將靜態(tài)庫的功能注入到項目里，從而才可以在項目里引用庫里的函數(shù)。我們可以將 agent 類比為 C 里的靜態(tài)庫，我們也可以用 C 或 C++ 來實現(xiàn)，將其編譯為 dll 或 so 文件，在啟動 JVM 時啟動。

這時再來思考 Debug 的實現(xiàn)，我們在啟動被 Debug 的 JVM 時，必須添加參數(shù)-agentlib:jdwp=transport=dt_socket,suspend=y,address=localhost:3333，而 -agentlib 選項就指定了我們要加載的 Java Agent，jdwp 是 agent 的名字，在 linux 系統(tǒng)中，我們可以在 jre 目錄下找到 jdwp.so 庫文件。

Java 的調(diào)試體系 jdpa 組成，從高到低分別為jdi->jdwp->jvmti，我們通過 JDI 接口發(fā)送調(diào)試指令，而 jdwp 就相當于一個通道，幫我們翻譯 JDI 指令到 JVM TI，最底層的 JVM TI 最終實現(xiàn)對 JVM 的操作。

使用

JVM TI 的 agent 使用很簡單，在啟動 agent 時添加 -agent 參數(shù)指定我們要加載的 agent jar包即可。

而要實現(xiàn)代碼的修改，我們需要實現(xiàn)一個 instrument agent，它可以通過在一個類里添加premain()或agentmain()方法來實現(xiàn)。而要實現(xiàn) 1.6 以上的動態(tài) instrument 功能，實現(xiàn) agentmain 方法即可。

在 agentmain 方法里，我們調(diào)用Instrumentation.retransformClasses()方法實現(xiàn)對目標類的重定義。

另外往一個正在運行的 JVM 里動態(tài)添加 agent，還需要用到 JVM 的 attach 功能，Sun 公司的 tools.jar 包里包含的VirtualMachine類提供了 attach 一個本地 JVM 的功能，它需要我們傳入一個本地 JVM 的 pid， tools.jar 可以在 jre 目錄下找到。

agent生成

另外，我們還需要注意 agent 的打包，它需要指定一個 Agent-Class 參數(shù)指定我們的包括 agentmain 方法的類，可以算是指定入口類吧。

此外，還需要配置MANIFEST.MF文件的一些參數(shù)，允許我們重新定義類。如果你的 agent 實現(xiàn)還需要引用一些其他類庫時，還需要將這些類庫都打包到此 jar 包中，下面是我的 pom 文件配置。

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
            <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
            <configuration>
                <archive>
                    <manifestEntries>
                        <Agent-Class>asm.TestAgent</Agent-Class>
                        <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
                        <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
                        <Manifest-Version>1.0</Manifest-Version>
                        <Permissions>all-permissions</Permissions>
                    </manifestEntries>
                </archive>
                <descriptorRefs>
                    <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
                </descriptorRefs>
            </configuration>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

另外在打包時需要使用mvn assembly:assembl命令生成 jar-with-dependencies 作為 agent。

代碼實現(xiàn)

我在測試時寫了一個用以上技術實現(xiàn)了一個簡單的字節(jié)碼動態(tài)修改的 Demo。

被修改的類

TransformTarget 是要被修改的目標類，正常執(zhí)行時，它會三秒輸出一次 “hello”。

public class TransformTarget {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(3000L);
            } catch (Exception e) {
                break;
            }
            printSomething();
        }
    }

    public static void printSomething() {
        System.out.println("hello");
    }

}

Agent

Agent 是執(zhí)行修改類的主體，它使用 ASM 修改 TransformTarget 類的方法，并使用 instrument 包將修改提交給 JVM。

入口類，也是代理的 Agent-Class。

public class TestAgent {
    public static void agentmain(String args, Instrumentation inst) {
        inst.addTransformer(new TestTransformer(), true);
        try {
            inst.retransformClasses(TransformTarget.class);
            System.out.println("Agent Load Done.");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("agent load failed!");
        }
    }
}

執(zhí)行字節(jié)碼修改和轉(zhuǎn)換的類。

public class TestTransformer implements ClassFileTransformer {

    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
        System.out.println("Transforming " + className);
        ClassReader reader = new ClassReader(classfileBuffer);
        ClassWriter classWriter = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
        ClassVisitor classVisitor = new TestClassVisitor(Opcodes.ASM5, classWriter);
        reader.accept(classVisitor, ClassReader.SKIP_DEBUG);
        return classWriter.toByteArray();
    }

    class TestClassVisitor extends ClassVisitor implements Opcodes {
        TestClassVisitor(int api, ClassVisitor classVisitor) {
            super(api, classVisitor);
        }

        @Override
        public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
            MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
            if (name.equals("printSomething")) {
                mv.visitCode();
                Label l0 = new Label();
                mv.visitLabel(l0);
                mv.visitLineNumber(19, l0);
                mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
                mv.visitLdcInsn("bytecode replaced!");
                mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
                Label l1 = new Label();
                mv.visitLabel(l1);
                mv.visitLineNumber(20, l1);
                mv.visitInsn(Opcodes.RETURN);
                mv.visitMaxs(2, 0);
                mv.visitEnd();
                TransformTarget.printSomething();
            }
            return mv;
        }
    }
}

Attacher

使用 tools.jar 里方法將 agent 動態(tài)加載到目標 JVM 的類。

public class Attacher {
    public static void main(String[] args) throws AttachNotSupportedException, IOException, AgentLoadException, AgentInitializationException {

        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach("34242"); // 目標 JVM pid
        vm.loadAgent("/path/to/agent.jar");
    }
}

這樣，先啟動 TransformTarget 類，獲取到 pid 后將其傳入 Attacher 里，并指定 agent jar，將 agent attach 到 TransformTarget 中，原來輸出的 “hello” 就變成我們想要修改的 “bytecode replaced!” 了。