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Java Agent 動態修改字節碼詳情

假設您有一個在生產環境中運行的應用程序。每隔一段時間，它就會進入中斷狀態，錯誤很難重現，您需要從應用程序中獲得更多信息。

那么你想知道解決方案嗎？

您可以做的是動態地將一些代碼集附加到應用程序中，并仔細地重寫它，以便代碼轉儲您可以記錄的其他信息，或者您可以將應用程序階段轉儲到文本文件中。Java為我們提供了使用Java Agent實現這一點的工具。

你有沒有想過我們的Java代碼是如何在IDE中進行熱交換的？這是因為特工。關于Java Agent的另一個有趣的事實是，應用程序探查器在后端使用相同的技術來收集內存使用情況、內存泄漏和方法執行時間的信息。

1、什么是Java Agent

Java Agent是一種特殊類型的類，通過使用Java Instrumentation API，它可以攔截JVM上運行的應用程序，修改它們的字節碼。Java Agent非常強大，也非常危險。

在開始之前，我將解釋Java Agent如何使用簡單的HelloWorld示例攔截類。

public class Hello {
  public static void main(String[] args){
      System.out.println("hello world");
  }
}

如下圖所示：

Java Agent 動態修改字節碼詳情

類加載器負責將類從二進制加載到內存中。運行編譯后的HelloWorld應用程序（HelloWorld.class）時，可以將Agent視為在運行時攔截類加載器行為的一種方式。您可能會想，java字節代碼是如何被重新構造的，以便Agent可以在正確的位置添加相關代碼的。有趣的是，對于Java程序來說，字節碼的結構非常接近原始Java程序源代碼。因此，雖然我們不為Java程序本身添加工具，但我們使用了它的一個非常接近的表示形式。需要注意的是，有一些非Java語言可以編譯成Java字節碼（如Scala、Clojure和Kotlin），這意味著程序字節碼的結構和形狀可能會非常不同。

2、實現Java Agent

JavaAgent基于來自Java平臺的facility，它的入口點是Java.lang instrument包，它提供了允許Agent為JVM上運行的程序提供工具的服務。該包非常簡單且自包含，因為它包含兩個異常類、一個數據類、類定義和兩個接口。在這兩種方法中，如果我們想編寫Java Agent，我們只需要實現classFileTransformer接口。

定義代理有兩種方法。

第一個是靜態代理，這意味著我們構建Agent代理，將其打包為jar文件，當我們啟動Java應用程序時，我們傳入一個名為java agent的特殊JVM參數。然后我們給它代理jar在磁盤上的位置，然后JVM發揮它的魔力。

$ java -javaagent:<path of agent jar file> -jar <path of the packaged jar file you want to intecept>

我們需要添加一個特殊的清單條目，稱為pre-main類，當然，這是一個完全限定的名稱類定義。

Premain-Class : org.example.JavaAgent

這個類看起來像這樣

public class JavaAgent {
  /**
   * As soon as the JVM initializes, This  method will be called.
   *
   * @param agentArgs       The list of agent arguments
   * @param instrumentation The instrumentation object
   * @throws InstantiationException
   */
  public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) throws InstantiationException {
      InterceptingClassTransformer interceptingClassTransformer = new InterceptingClassTransformer();
      interceptingClassTransformer.init();
      instrumentation.addTransformer(interceptingClassTransformer);
  }
}

premain方法接受兩個參數：

agentArgs―字符串參數，用戶選擇作為參數傳遞給Java Agent調用的任何參數。
instrumentation來自java.lang instrument包，我們可以添加一個新的ClassFileTransformer對象，它包含Agent的實際邏輯。

第二個選項稱為動態代理。

我們可以做的不是檢測啟動應用程序的方式，而是編寫一小段代碼，接收并連接到現有JVM，并告訴它加載某個代理。

VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(vmPid);
vm.load(agentFilePath);
vm.detach();

此參數agentFilePath與靜態代理方法中的參數完全相同。它必須是agent jar的文件名，因此沒有輸入流也沒有字節。這種方法有兩個警告。第一個是，這是生活在com.sun空間下的私有API，它通常適用于熱點實現。第二個問題是，使用Java9進行排序時，您不能再使用此代碼連接到它正在運行的JVM。

2.1 類轉換

這是我們需要為agent實現的接口，以便轉換類。

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

這有點多，但我將解釋方法簽名中的必要參數。第一個重要的是類名。此參數的主要目的是幫助查找并區分要攔截的正確類和其他類。顯然，您可能不想截取應用程序中的每個類，最簡單的方法是使用條件語句進行檢查。

然后是類加載器，它主要用于基本應用程序沒有平坦類空間的環境中，您可能不需要查看它，但一旦遇到更復雜或模塊化的平臺，您就需要查看類加載器。classfileBuffer是檢測前類的當前定義。要截取它，您需要使用庫讀取這個字節數組并截取代碼，然后必須再次轉換回字節碼才能返回。

有幾個字節碼生成庫。您需要進行研究，并根據它是高級API還是低級API、社區大小和許可證自行決定。我放在下面的演示是Javassist，因為我認為它在高級和低級API之間有一個很好的平衡，并且是一個三重許可證，所以幾乎任何人都可以使用它。這

就是ClassFileTransformer實現的主體。

@Override
public byte[] transform(ClassLoader loader, ..)
      throws .. {
  byte[] byteCode = classfileBuffer;
  // If you wanted to intercept all the classs then you can remove this conditional check.
  if (className.equals("Example")) {
      try {
          ClassPool classPool = scopedClassPoolFactory.create(loader, rootPool,
                  ScopedClassPoolRepositoryImpl.getInstance());
          CtClass ctClass = classPool.makeClass(new ByteArrayInputStream(classfileBuffer));
          CtMethod[] methods = ctClass.getDeclaredMethods();
          for (CtMethod method : methods) {
              if (method.equals("main")) {
                  method.insertAfter("System.out.println(\"Logging using Agent\");");
              }
          }
byteCode = ctClass.toBytecode();
          ctClass.detach();
      } catch (Throwable ex) {
          log.log(Level.SEVERE, "Error in transforming the class: " + className, ex);
      }
  }
  return byteCode;
}
ctClass.detach();
      } catch (Throwable ex) {
          log.log(Level.SEVERE, "Error in transforming the class: " + className, ex);
      }
  }
  return byteCode;
}

在這里，從類池中，我們可以直接繞過classfileBuffer獲取類，因為我想使用main方法。我們循環遍歷類定義中的所有方法，得到我們想要的類。我們根本不需要使用字節碼。我們可以簡單地向它傳遞一些合法的Java代碼，然后Javassist將編譯它，生成新的字節碼，并給出定義。

有三種方法可以向方法中插入一些Java代碼。insertAfter（..）在正文末尾插入字節碼。它在正文的末尾插入字節碼。insertAt（..）在正文的指定行插入字節碼，insertBefore（..）在正文的開頭插入字節碼。

2.2 使用Java代理進行實際操作

從指定的鏈接下載示例應用程序和Java Agent。

使用進入路徑并執行命令mvn clean install來構建這兩個repo

現在，您將獲得目標中的jar文件。復制示例應用程序中.jar文件的路徑，并復制Java Agent中-dependencies.jar文件的路徑。

首先，使用命令$java-jar<path of the packaged jar>僅與示例應用程序一起運行應用程序，并觀察輸出。Hi I am main。將在控制臺中打印。

然后，使用命令$ java -javaagent:<path of agent jar file> -jar <path of the packaged jar file you want to intercept>并觀察輸出。將在控制臺中另外打印使用代理的日志記錄。這確保java agent被攔截并添加到main方法的主體中。

總之，如果要實現Java Agent，請執行以下操作：

1. 您需要創建兩個Java類。一個是premain方法（JavaAgent），另一個是擴展ClassFileTransformer的類（CustomTransformer）

2. 在premain方法的主體內，需要添加擴展ClassFileTransformer的類的對象

3. 然后，您需要在CustomTransformer中的重寫方法transform中添加邏輯。

4. 在轉換方法內轉換字節碼時，可能需要根據用途使用字節碼生成庫。

5. 您需要在清單中指定premain類并構建jar。

6. 使用javaagent標記將代理加載到要攔截的應用程序中。

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