调式、热部署背后的Java Agent探针技术

前提概要

• Java调式、热部署、JVM背后的支持者Java Agent：

• 各个 Java IDE 的调试功能，例如 eclipse、IntelliJ ；
• 热部署功能，例如 JRebel、XRebel、spring-loaded；
• 各种线上诊断工具，例如 Btrace、Greys，还有阿里的 Arthas；
• 各种性能分析工具，例如 Visual VM、JConsole 等；

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一、什么是java Agent

Java Agent 直译为 Java 代理，中文圈也流行另外一个称呼 Java 探针 Probe 技术。

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它在 JDK1.5 引入，是一种可以动态修改 Java 字节码的技术。Java 类编译后形成字节码被 JVM 执行，在 JVM 在执行这些字节码之前获取这些字节码的信息，并且通过字节码转换器ClassFileTransformer 对这些字节码进行修改，以此来完成一些额外的功能。Java Agent 是一个不能独立运行 jar 包，它通过依附于目标程序的 JVM 进程，进行工作

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//Java Agent 和目标进程一起启动模式

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nohup java -jar -Dspring.profiles.active=prod -DworkId=1 -javaagent:/opentelemetry-javaagent.jar -Dfile.encoding=utf-8 -Xms4028M -Xmx4028M -XX:PermSize=512M -XX:MaxPermSize=512M /launch-adapter-0.0.1-SNAPSHOT.jar >/dev/null 2>&1 &

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Agent 启动拦截提供两种方式：

启动时修改

程序运行前：在Main方法执行之前，通过一个叫 premain方法来执行

启动时修改主要是在jvm启动时，执行native函数的Agent_OnLoad方法，在方法执行时，执行如下步骤：

• 创建InstrumentationImpl对象

• 监听ClassFileLoadHook事件

• 调用InstrumentationImpl的loadClassAndCallPremain方法，在这个方法里会去调用javaagent里MANIFEST.MF里指定的Premain-Class类的premain方法

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运行时修改

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运行时修改主要是通过jvm的attach机制来请求目标jvm加载对应的agent，执行native函数的Agent_OnAttach方法，在方法执行时，执行如下步骤：

• 创建InstrumentationImpl对象

• 监听ClassFileLoadHook事件

• 调用InstrumentationImpl的loadClassAndCallAgentmain方法，在这个方法里会去调用javaagent里MANIFEST.MF里指定的Agentmain-Class类的agentmain方法

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启动时需要在目标程序的启动参数中添加 -javaagent参数，Java Agent 内部通过注册 ClassFileTransformer ，这个转化器在Java 程序 Main方法前加了一层拦截器。在类加载之前，完成对字节码修改

Java Agent 具备以下的能力

• Java Agent 能够在加载 Java 字节码之前拦截并对字节码进行修改;

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• Java Agent 能够在 Jvm 运行期间修改已经加载的字节码;

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Java Agent 的价值

• IDE 的调试功能，例如 Eclipse、IntelliJ IDEA

• 热部署功能，例如 JRebel、XRebel、spring-loaded

• 各种线上诊断工具，例如 Btrace、Greys，国内阿里的 Arthas

• 各种性能分析工具，例如 Visual VM、JConsole 等

• 全链路性能检测工具，例如 OpenTelemetry、Skywalking、Pinpoint等 。

Java Agent 功能介绍

Java Agent 主要有以下功能

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Java Agent 能够在加载 Java 字节码之前拦截并对字节码进行修改;

Java Agent 能够在 Jvm 运行期间修改已经加载的字节码;

Java Agent 的应用场景

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IDE 的调试功能，例如 Eclipse、IntelliJ IDEA ；

热部署功能，例如 JRebel、XRebel、spring-loaded；

各种线上诊断工具，例如 Btrace、Greys，还有阿里的 Arthas；

各种性能分析工具，例如 Visual VM、JConsole 等；

全链路性能检测工具，例如 Skywalking、Pinpoint等；

Java Agent 实现原理

在了解Java Agent的实现原理之前，需要对Java类加载机制有一个较为清晰的认知。一种是在man方法执行之前，通过premain来执行，另一种是程序运行中修改，需通过JVM中的Attach实现，Attach的实现原理是基于JVMTI。