Java Agent探针开发步骤使用详解及案例分析

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Perceus 2023-12-05 12:19:40 博主文章分类：【Open source】 ©著作权

文章标签 Java 探针 Agent Skywalking 字节码 文章分类 Java 后端开发 yyds干货盘点

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(目录)

Java Agent

背景

因在做到Skywalking Agent的时候，并没有修改程序中任何一行 Java 代码，就可无侵入式的使用组件，便使用到了 Java Agent 技术，接下来对学习学习Java Agent 技术

Java Agent 是什么

Java Agent这个技术对大多数人来说都比较陌生，但是大家都都多多少少接触过一些。

实际上我们平时用过的很多工具都是基于java Agent来实现的。

例如：热部署工具JRebel，springboot的热部署插件，各种线上诊断工具（btrace, greys），阿里开源的arthas等等。

java Agent在JDK1.5以后，我们可以使用agent技术构建一个独立于应用程序的代理程序（即Agent），用来协助监测、运行甚至替换其他JVM上的程序。使用它可以实现虚拟机级别的AOP功能，并且这种方式一个典型的优势就是无代码侵入。

Agent分为两种：

1、在主程序之前运行的Agent，

2、在主程序之后运行的Agent（JDK 1.6以后提供）

Java Agent 使用场景

Java agent 技术结合 Java Intrumentation API 可以实现类修改、热加载等功能。

下面是 Java agent 技术的常见应用场景：

Java Agent 开发

1. premain (主程序之前运行的Agent)

premain：主程序之前运行的Agent

可以看到，我们的代码在转换成机器码之前，需要执行转换，加载和校验。

Java Agent即是在此过程中，对代码进行拦截，进行定制化的操作（有点AOP的意思）。

ByteBuddy提供premain 方法，函数签名如下所示：

public static void premain(String args,Instrumentation inst)

顾名思义，premain 方法在main 方法之前被调用

示例如下所示：

运行HelloWorld程序时，在HelloWorld.class被JVM加载之前，发现有premain方法对其进行拦截。

根据premain中定义的Agent规则，对HelloWorld.class执行转换(Transformed)操作，转换后的helloWorld.class文件被ClassLoader加载，功能增强完成。

2. -javaagent命令

在实际使用过程中，javaagent是java命令的一个参数。

通过java 命令启动我们的应用程序的时候，可通过参数 -javaagent 指定一个 jar 包（也就是我们的代理agent）。

能够实现在我们应用程序的主程序运行之前来执行我们指定jar包中的特定方法，在该方法中我们能够实现动态增强Class等相关功能，并且该 jar包有2个要求：

这个 jar 包的 META-INF/MANIFEST.MF 文件必须指定 Premain-Class 项，该选项指定的是一个类的全路径

Premain-Class 指定的那个类必须实现 premain() 方法。

META-INF/MANIFEST.MF

Manifest-Version: 1.0
Can-Redefine-Classes: true
Can-Retransform-Classes: true
Premain-Class: com.itheima.PreMainAgent

pom文件

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
            <configuration>
                <appendAssemblyId>false</appendAssemblyId>
                <descriptorRefs>
                    <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
                </descriptorRefs>
                <archive> <!--自动添加META-INF/MANIFEST.MF -->
                    <manifest>
                        <!-- 添加 mplementation-*和Specification-*配置项-->
                        <addDefaultImplementationEntries>true</addDefaultImplementationEntries>
                        <addDefaultSpecificationEntries>true</addDefaultSpecificationEntries>
                    </manifest>
                    <manifestEntries>
                        <!--指定premain方法所在的类-->
                        <Premain-Class>com.itheima.agent.PreMainAgent</Premain-Class>
                        <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
                        <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
                    </manifestEntries>
                </archive>
            </configuration>
            <executions>
                <execution>
                    <id>make-assembly</id>
                    <phase>package</phase>
                    <goals>
                        <goal>single</goal>
                    </goals>
                </execution>
            </executions>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

重点部分关注：

Can-Redefine-Classes ：true表示能重定义此代理所需的类，默认值为 false（可选）

Can-Retransform-Classes ：true 表示能重转换此代理所需的类，默认值为 false （可选）

Premain-Class ：包含 premain 方法的类（类的全路径名）

<manifestEntries>
  <!--Premain-Class: 代表 Agent 静态加载时会调用的类全路径名。-->
  <Premain-Class>demo.MethodAgentMain</Premain-Class>
  <!--Agent-Class: 代表 Agent 动态加载时会调用的类全路径名。-->
  <Agent-Class>demo.MethodAgentMain</Agent-Class>
  <!--Can-Redefine-Classes: 是否可进行类定义。-->
  <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
  <!--Can-Retransform-Classes: 是否可进行类转换。-->
  <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
</manifestEntries>

从字面上理解，Premain-Class 就是运行在 main 函数之前的的类。当Java 虚拟机启动时，在执行 main 函数之前，JVM 会先运行-javaagent所指定 jar 包内 Premain-Class 这个类的 premain 方法。

我们可以通过在命令行输入java看到相应的参数，其中就有和java agent相关的

3. 编写Agent demo

1、在agent-demo中添加如下坐标

<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
            <configuration>
                <appendAssemblyId>false</appendAssemblyId>
                <descriptorRefs>
                    <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
                </descriptorRefs>
                <archive> <!--自动添加META-INF/MANIFEST.MF -->
                    <manifest>
                        <!-- 添加 mplementation-*和Specification-*配置项-->
                        <addDefaultImplementationEntries>true</addDefaultImplementationEntries>
                        <addDefaultSpecificationEntries>true</addDefaultSpecificationEntries>
                    </manifest>
                    <manifestEntries>
                        <!--指定premain方法所在的类-->
                        <Premain-Class>com.itheima.agent.PreMainAgent</Premain-Class>
                        <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
                        <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
                    </manifestEntries>
                </archive>
            </configuration>
            <executions>
                <execution>
                    <id>make-assembly</id>
                    <phase>package</phase>
                    <goals>
                        <goal>single</goal>
                    </goals>
                </execution>
            </executions>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

2、编写一个agent程序：PreMainAgent，完成premain方法的签名，先做一个简单的输出

import java.lang.instrument.Instrumentation;

public class PreMainAgent {

    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
        System.out.println("我的agent程序跑起来啦!");
        System.out.println("收到的agent参数是:"+agentArgs);
    }
}

下面先来简单介绍一下 Instrumentation 中的核心 API 方法：

addTransformer()/removeTransformer() 方法：注册/注销一个 ClassFileTransformer 类的实例，该 Transformer 会在类加载的时候被调用，可用于修改类定义（修改类的字节码）

redefineClasses() 方法：该方法针对的是已经加载的类，它会对传入的类进行重新定义

**getAllLoadedClasses()方法：**返回当前 JVM 已加载的所有类

getInitiatedClasses() 方法：返回当前 JVM 已经初始化的类

getObjectSize()方法：获取参数指定的对象的大小

3、对agent-demo项目进行打包package，得到 agent-demo-1.0-SNAPSHOT.jar

4、创建agent-test项目，编写一个启动类：Application

public class Application {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("main 函数 运行了 ");
    }
}

5、启动运行，添加-javaagent参数

-javaagent:/xxx.jar=option1=value1,option2=value2

运行结果为：

我的agent程序跑起来啦!
收到的agent参数是:k1=v1,k2=v2
main 函数 运行了

总结：

agent JVM 会先执行 premain 方法，大部分类加载都会通过该方法。

注意：是大部分，不是所有。当然，遗漏的主要是系统类，因为很多系统类先于 agent 执行，而用户类的加载肯定是会被拦截的。也就是说，这个方法是在 main 方法启动前拦截大部分类的加载活动，既然可以拦截类的加载，那么就可以去做重写类这样的操作，结合第三方的字节码编译工具，比如ASM，bytebuddy，javassist，cglib等等来改写实现类。

4. agentmain (主程序之后运行的Agent)

agentmain：主程序之后运行的Agent

上面介绍的是在 JDK 1.5中提供的，开发者只能在main加载之前添加手脚。

在 Java SE 6 中提供了一个新的代理操作方法：agentmain 可以在 main 函数开始运行之后再运行。

跟premain函数一样，开发者可以编写一个含有agentmain函数的 Java 类，具备以下之一的方法即可

public static void agentmain (String agentArgs, Instrumentation inst)

public static void agentmain (String agentArgs)

同样需要在MANIFEST.MF文件里面设置“Agent-Class”来指定包含 agentmain 函数的类的全路径。

1、在agentdemo中创建一个新的类：AgentClass，并编写方法agenmain

public class AgentClass {

    public static void agentmain (String agentArgs, Instrumentation inst){
        System.out.println("agentmain runing");
    }
}

2：在pom.xml中添加配置如下

<plugin>
    <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
    <configuration>
        <appendAssemblyId>false</appendAssemblyId>
        <descriptorRefs>
            <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
        </descriptorRefs>
        <archive> <!--自动添加META-INF/MANIFEST.MF -->
            <manifest>
                <!-- 添加 mplementation-*和Specification-*配置项-->
                <addDefaultImplementationEntries>true</addDefaultImplementationEntries>
                <addDefaultSpecificationEntries>true</addDefaultSpecificationEntries>
            </manifest>
            <manifestEntries>
                <!--指定premain方法所在的类-->
                <Premain-Class>com.itheima.agent.PreMainAgent</Premain-Class>
                <!--添加这个即可-->
                <Agent-Class>com.itheima.agent.AgentClass</Agent-Class>
                <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
                <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
            </manifestEntries>
        </archive>
    </configuration>
    <executions>
        <execution>
            <id>make-assembly</id>
            <phase>package</phase>
            <goals>
                <goal>single</goal>
            </goals>
        </execution>
    </executions>
</plugin>

3：对agent-demo重新打包

4：找到agent-test中的Application，修改如下：

public class Application {

    public static void main(String[] args) throws IOException, AttachNotSupportedException, AgentLoadException, AgentInitializationException {
        System.out.println("main 函数 运行了 ");

        //获取当前系统中所有 运行中的 虚拟机
        List<VirtualMachineDescriptor> list = VirtualMachine.list();
        for (VirtualMachineDescriptor vm : list) {
            if (vm.displayName().endsWith("com.itheima.Application")) {
                VirtualMachine virtualMachine = VirtualMachine.attach(vm.id());
                virtualMachine.loadAgent("D:/agentdemo.jar");
                virtualMachine.detach();
            }
        }
    }
}

vlist()方法会去寻找当前系统中所有运行着的JVM进程，你可以打印vmd.displayName()看到当前系统都有哪些JVM进程在运行。

因为main函数执行起来的时候进程名为当前类名，所以通过这种方式可以去找到当前的进程id。

之所以要这样写是因为：agent要在主程序运行后加载，我们不可能在主程序中编写加载的代码。

怎么另写程序如何与主程序进行通信？

这里用到的机制就是attach机制，它可以将JVM A连接至JVM B，并发送指令给JVM B执行

5. 总结

Java Agent十分强大，它能做到的不仅仅是打印几个监控数值而已，还包括使用Transformer等高级功能进行类替换，方法修改等，要使用Instrumentation的相关API则需要对字节码等技术有较深的认识。

上一篇：ByteBuddy字节码编程学习（场景、增强方式、类加载器策略、实践）

下一篇：Java ClassLoader、ContextClassLoader与SPI实现详解

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