Skywalking은 Java 동적 바이트 코드 기술을 사용합니다.
디버그에 대한 호기심
Java를 처음 배웠을 때 IDEA의 디버그에 대해 매우 궁금했습니다. 중단 점의 컨텍스트를 볼 수있을뿐만 아니라 중단 점에서 평가 기능을 사용하여 특정 명령을 직접 실행하고 일부 계산을 수행 할 수 있다는 점이 더 놀랍습니다. 또는 현재 변수를 변경하십시오.
처음에는 문법에 익숙하지 않았고 종종 잘못된 코드를 작성했는데 코드를 다시 패키징하고 배포하는 데 오랜 시간이 걸렸기 때문에 직접 디버그 개발에 직면했습니다. 작성할 메서드의 시작 부분에 중단 점을 치고 평가 상자에서 메서드 함수를 반복해서 실행하고 코드를 반복해서 조정 한 다음 코드를 복사하여 IDEA에 넣은 다음 다음 메서드를 작성합니다. 따라서 PHP와 유사한 설명 언어를 작성하는 것처럼 작성 후 실행하는 것이 매우 편리합니다.
하지만 Java는 정적 언어입니다. 실행하기 전에 컴파일해야합니다. 작성한 코드가 실시간으로 컴파일되고 디버깅중인 서비스에 "주입"됩니까?
Java에 익숙해지면서 리플렉션, 바이트 코드 및 기타 기술에 대해서도 배웠습니다. 며칠 전 주간 회의까지 한 동료가 Btrace의 사용 및 구현에 대해 공유하고 Java의 ASM 프레임 워크 및 JVM TI 인터페이스에 대해 언급했습니다. 코드를 수정하는 Btrace의 기능 구현은 Debug의 Evaluate와 많은 유사점을 가지고있어서 매우 매력적이었습니다. 공유는 소개와 같습니다. 여기서 배우는 것은 모피 일뿐입니다. 이해하려면 직접 공부해야합니다. 그래서 정보를 확인하고 구체적인 구현을 배우기 위해 코드를 작성했습니다.
ASM
Evaluate를 구현할 때 해결해야 할 첫 번째 문제는 원본 코드의 동작을 변경하는 방법이며 구현을 Java에서 동적 바이트 코드 기술이라고합니다.
동적으로 바이트 코드 생성
우리가 작성한 Java 코드는 JVM에서 실행되기 전에 바이트 코드로 컴파일되어야하며, 바이트 코드가 가상 머신에로드되면 해석 및 실행될 수 있습니다.
바이트 코드 파일 (.class)은 Java 컴파일러에 의해 생성되는 일반 바이너리 파일입니다. 특정 규칙으로 원본 바이트 코드 파일을 구문 분석하거나 수정하거나 단순히 재정의하면 코드 동작이 변경되지 않습니다.
BCEL, Javassist, ASM, CGLib 등과 같이 Java 에코 시스템에서 동적으로 바이트 코드를 생성 할 수있는 많은 기술이 있으며 각각 고유 한 장점이 있습니다. 일부는 사용하기 복잡하지만 강력하고 일부는 단순하고 성능이 떨어집니다.
ASM 프레임 워크
ASM은 그중 가장 강력한 기능으로 클래스, 메소드를 동적으로 수정하고 클래스를 재정의하는 데 사용할 수 있습니다. CGLib의 맨 아래 계층도 ASM으로 구현됩니다.
물론 사용 임계 값도 매우 높기 때문에이를 사용하려면 Java 바이트 코드 파일에 대한 이해와 JVM 컴파일 지침에 대한 지식이 필요합니다. JVM의 바이트 코드 구문에 익숙하지 않지만 위대한 신은 IDEA에서 바이트 코드를 볼 수있는 플러그인을 개발 ASM Bytecode Outline 했습니다. 볼 클래스 파일을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭 Show bytecode Outline 하면 오른쪽에서 생성 된 것을 볼 수 있습니다. 툴바 바이트 코드. 예제에 따르면 바이트 코드를 조작하는 Java 코드를 쉽게 작성할 수 있습니다.
ASMified 탭 막대로 잘라 내면 ASM 코드를 직접 가져올 수도 있습니다.
일반적인 방법
ASM의 코드 구현에서 가장 분명한 것은 방문자 모드입니다. ASM은 코드의 읽기 및 작업을 방문자에게 패키지화하여 JVM에서로드 한 바이트 코드가 구문 분석 될 때 호출됩니다.
ClassReader는 바이너리 바이트 코드가 파싱되는 ASM 코드의 입구입니다. 인스턴스화 할 때 ClassVisitor를 전달해야합니다.이 방문자 visitMethod()/visitAnnotation() 에서 클래스 구조 (예 : 메서드, 필드)를 정의하는 다른 메서드를 구현할 수 있습니다. ., Annotation) 액세스 방법.
ClassWriter 인터페이스는 ClassVisitor 인터페이스를 상속받으며, 클래스 접근자를 인스턴스화 할 때 ClassWriter를 "주입"하여 클래스에 쓰기 선언을 실현합니다.
악기
소개
바이트 코드는 수정되지만 JVM은 자체 클래스 로더를 사용하여 실행 중에 바이트 코드 파일을로드합니다.로드 후 변경 사항을 무시합니다. 기존 클래스를 수정하려면 Java가있는 다른 라이브러리도 필요합니다 instrument.
Instrument는로드 된 클래스 파일을 수정할 수있는 JVM에서 제공하는 클래스 라이브러리입니다. 1.6 이전에는 JVM이 클래스로드를 시작하는 경우에만 계측기가 적용되며 그 이후에는 계측기가 런타임시 클래스 정의 수정도 지원합니다.
사용하다
인스트루먼트의 클래스 수정 기능을 사용하려면 ClassFileTransformer 클래스 파일 변환기를 정의하는 인터페이스를 구현해야합니다 . 유일한 transform() 메서드는 클래스 파일이로드 될 때 호출됩니다. transform 메서드에서는 들어오는 바이너리 바이트 코드를 다시 작성하거나 교체하고, 새 바이트 코드 배열을 생성하고 반환 할 수 있으며, JVM은 transform 메서드를 사용하여 클래스로드를위한 바이트 코드 데이터를 반환합니다. .
JVM TI
바이트 코드 수정 및 메서드 재정의를 정의한 후 JVM이 제공하는 클래스 변환기를 호출하도록하려면 어떻게해야합니까? 다음은 JVM TI에 대한 또 다른 소개입니다.
소개
JVM TI (JVM Tool Interface) JVM 도구 인터페이스는 JVM에서 제공하는 JVM 운영을위한 매우 강력한 도구 인터페이스입니다.이 인터페이스를 통해 JVM의 다양한 구성 요소의 동작을 구현할 수 있습니다. JVMTM Tool Interface에서 JVM TI Powerful, 여기에는 가상 머신 힙 메모리, 클래스, 스레드 등의 모든 측면에 대한 관리 인터페이스가 포함됩니다.
JVM TI는 이벤트 메커니즘을 통해 인터페이스를 통해 다양한 이벤트 후크를 등록하고 JVM 이벤트가 트리거 될 때 동시에 미리 정의 된 후크를 트리거하여 각 JVM 이벤트에 대한 인식과 응답을 실현합니다.
에이전트
에이전트는 JVM TI에서 구현 한 방법입니다. 컴파일 된 C 프로젝트의 정적 라이브러리를 연결하고 정적 라이브러리의 함수를 프로젝트에 삽입하여 라이브러리의 함수를 프로젝트에서 참조 할 수 있도록합니다. 에이전트를 C의 정적 라이브러리로 유추하거나 C 또는 C ++로 구현하고 dll 또는 so 파일로 컴파일 한 다음 JVM이 시작될 때 시작할 수 있습니다.
이제 Debug 구현에 대해 생각해 보겠습니다. -agentlib:jdwp=transport=dt_socket,suspend=y,address=localhost:3333디버깅 된 JVM을 시작할 때 매개 변수를 추가해야 하며 -agentlib 옵션은로드 할 Java 에이전트를 지정합니다. jdwp는 에이전트의 이름입니다. Linux 시스템에서는 다음을 수행 할 수 있습니다. jre 사용 디렉토리에서 jdwp.so 라이브러리 파일을 찾으십시오.
Java의 디버깅 시스템 jdpa는 high에서 low로 구성되어 jdi->jdwp->jvmti있습니다. 우리는 JDI 인터페이스를 통해 디버깅 명령을 보내고 jdwp는 JDI 명령을 JVM TI로 변환하는 데 도움이되는 채널에 해당합니다. JVM TI의 최하위 계층은 마침내 JVM의 작동을 실현합니다. .
사용하다
JVM TI의 에이전트는 사용이 매우 간단하며 에이전트 시작시 -agent 매개 변수를 추가하여로드 할 에이전트 jar 패키지를 지정합니다.
코드를 수정하려면 클래스에 premain() 또는 agentmain() 메서드를 추가하여 구현할 수있는 계측 에이전트를 구현해야합니다 . 1.6 이상의 동적 기기 기능을 달성하기 위해 agentmain 메소드를 구현할 수 있습니다.
agentmain 메서드에서 Instrumentation.retransformClasses() 메서드를 호출 하여 대상 클래스를 재정의합니다.
또한 실행중인 JVM에 에이전트를 동적으로 추가하려면 JVM의 연결 기능도 사용해야합니다. Sun의 tools.jar 패키지에 포함 된 VirtualMachine 클래스는 로컬 JVM을 연결하는 기능을 제공합니다. 로컬 JVM pid에서 tools.jar는 jre 디렉토리에서 찾을 수 있습니다.
에이전트 생성
또한 에이전트의 패키징에도주의를 기울여야하며 지정된 엔트리 클래스로 간주 할 수있는 agentmain 메소드를 포함하여 클래스를 지정하기 위해 Agent-Class 매개 변수를 지정해야합니다.
또한 구성 MANIFEST.MF 파일의 일부 매개 변수 가 필요 하므로 클래스를 재정의 할 수 있습니다. 에이전트 구현에서 다른 라이브러리를 참조해야하는 경우 이러한 라이브러리도이 jar 패키지로 패키징해야합니다. 다음은 내 pom 파일 구성입니다.
<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>
또한 패키징 할 때 mvn assembly:assembl 에이전트로 jar-with-dependencies를 생성 하려면 명령 을 사용해야합니다 .
암호
테스트 중에 위의 기술을 사용하여 바이트 코드의 간단한 동적 수정을 구현하는 데모를 작성했습니다.
수정 된 클래스
TransformTarget은 수정할 대상 클래스로 정상 실행시 3 초마다 "hello"를 출력합니다.
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");
}
}
에이전트
에이전트는 수정 된 클래스의 본문으로, ASM을 사용하여 TransformTarget 클래스의 메서드를 수정하고 계측기 패키지를 사용하여 수정 사항을 JVM에 제출합니다.
엔트리 클래스는 에이전트의 에이전트 클래스이기도합니다.
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!");
}
}
}
바이트 코드 수정 및 변환을 수행하는 클래스입니다.
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;
}
}
}
첨부하려면
tools.jar의 메소드를 사용하여 에이전트를 대상 JVM 클래스에 동적으로로드하십시오.
public class Attacher {
public static void main(String[] args) throws AttachNotSupportedException, IOException, AgentLoadException, AgentInitializationException {
VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach("34242"); // 目标 JVM pid
vm.loadAgent("/path/to/agent.jar");
}
}
이런 식으로 먼저 TransformTarget 클래스를 시작하고 pid를 가져 와서 Attacher에 전달하고 에이전트 jar를 지정하고 에이전트를 TransformTarget에 연결하면 원래 출력 "hello"가 수정하려는 "bytecode replacement!"가됩니다. .
요약
바이트 코드의 동적 수정 기술을 습득 한 후 돌아 보면 Btrace의 원리가 더 명확해질 것이며, 약간의 탐색만으로 단순화 된 버전을 구현할 수도 있습니다. 또한 많은 거물들이 구현 한 다양한 Java 성능 분석 도구의 기술 스택도 예외는 아닙니다.이를 알면 앞으로도 자신에게 맞는 도구를 작성할 수 있으며 최소한 다른 사람의 도구는 수정할 수 있습니다 ~
자바의 생태계는 정말 번영하고, 정말 광범위하고 심오합니다. 모듈의 정보를 찾아 보면 항상 많은 새로운 개념으로 이어질 수 있고 항상 새로운 것을 배울 수 있습니다. .