JVM 源码分析之 javaagent 原理完全解读

转载：https://infoq.cn/article/javaagent-illustrated

本文重点讲述 javaagent 的具体实现，因为它面向的是我们 Java 程序员，而且 agent 都是用 Java 编写的，不需要太多的 C/C++ 编程基础，不过这篇文章里也会讲到 JVMTIAgent(C 实现的)，因为 javaagent 的运行还是依赖于一个特殊的 JVMTIAgent。

对于 javaagent，或许大家都听过，甚至使用过，常见的用法大致如下：

java -javaagent:myagent.jar=mode=test Test

我们通过 -javaagent 来指定我们编写的 agent 的 jar 路径（./myagent.jar），以及要传给 agent 的参数（mode=test），在启动的时候这个 agent 就可以做一些我们希望的事了。

javaagent 的主要功能如下：

• 可以在加载 class 文件之前做拦截，对字节码做修改
• 可以在运行期对已加载类的字节码做变更，但是这种情况下会有很多的限制，后面会详细说
• 还有其他一些小众的功能
  • 获取所有已经加载过的类
  • 获取所有已经初始化过的类（执行过 clinit 方法，是上面的一个子集）
  • 获取某个对象的大小
  • 将某个 jar 加入到 bootstrap classpath 里作为高优先级被 bootstrapClassloader 加载
  • 将某个 jar 加入到 classpath 里供 AppClassloard 去加载
  • 设置某些 native 方法的前缀，主要在查找 native 方法的时候做规则匹配

想象一下可以让程序按照我们预期的逻辑去执行，听起来是不是挺酷的。

JVMTI全称 JVM Tool Interface，是 JVM 暴露出来的一些供用户扩展的接口集合。JVMTI 是基于事件驱动的，JVM 每执行到一定的逻辑就会调用一些事件的回调接口（如果有的话），这些接口可以供开发者扩展自己的逻辑。

比如最常见的，我们想在某个类的字节码文件读取之后、类定义之前修改相关的字节码，从而使创建的 class 对象是我们修改之后的字节码内容，那就可以实现一个回调函数赋给 jvmtiEnv（JVMTI 的运行时，通常一个 JVMTIAgent 对应一个 jvmtiEnv，但是也可以对应多个）的回调方法集合里的 ClassFileLoadHook，这样在接下来的类文件加载过程中都会调用到这个函数中，大致实现如下:，

    jvmtiEventCallbacks callbacks;

    jvmtiEnv *          jvmtienv = jvmti(agent);

    jvmtiError          jvmtierror;

    memset(&callbacks, 0, sizeof(callbacks));

    callbacks.ClassFileLoadHook = &eventHandlerClassFileLoadHook;

    jvmtierror = (*jvmtienv)->SetEventCallbacks( jvmtienv,

                                                 &callbacks,

                                                 sizeof(callbacks));

JVMTIAgent 其实就是一个动态库，利用 JVMTI 暴露出来的一些接口来干一些我们想做、但是正常情况下又做不到的事情，不过为了和普通的动态库进行区分，它一般会实现如下的一个或者多个函数：

JNIEXPORT jint JNICALL
Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *options, void *reserved);

JNIEXPORT jint JNICALL
Agent_OnAttach(JavaVM* vm, char* options, void* reserved);

JNIEXPORT void JNICALL
Agent_OnUnload(JavaVM *vm);

• Agent_OnLoad函数，如果 agent 是在启动时加载的，也就是在 vm 参数里通过 -agentlib 来指定的，那在启动过程中就会去执行这个 agent 里的Agent_OnLoad函数。
• Agent_OnAttach函数，如果 agent 不是在启动时加载的，而是我们先 attach 到目标进程上，然后给对应的目标进程发送 load 命令来加载，则在加载过程中会调用Agent_OnAttach函数。
• Agent_OnUnload函数，在 agent 卸载时调用，不过貌似基本上很少实现它。

其实我们每天都在和 JVMTIAgent 打交道，只是你可能没有意识到而已，比如我们经常使用 Eclipse 等工具调试 Java 代码，其实就是利用 JRE 自带的 jdwp agent 实现的，只是 Eclipse 等工具在没让你察觉的情况下将相关参数 (类似-agentlib:jdwp=transport=dt_socket,suspend=y,address=localhost:61349) 自动加到程序启动参数列表里了，其中 agentlib 参数就用来跟要加载的 agent 的名字，比如这里的 jdwp(不过这不是动态库的名字，JVM 会做一些名称上的扩展，比如在 Linux 下会去找libjdwp.so的动态库进行加载，也就是在名字的基础上加前缀lib，再加后缀.so)，接下来会跟一堆相关的参数，将这些参数传给Agent_OnLoad或者Agent_OnAttach函数里对应的options。

说到 javaagent，必须要讲的是一个叫做 instrument 的 JVMTIAgent（Linux 下对应的动态库是 libinstrument.so），因为 javaagent 功能就是它来实现的，另外 instrument agent 还有个别名叫 JPLISAgent(Java Programming Language Instrumentation Services Agent)，这个名字也完全体现了其最本质的功能：就是专门为 Java 语言编写的插桩服务提供支持的。

instrument agent

instrument agent 实现了Agent_OnLoad和Agent_OnAttach两方法，也就是说在使用时，agent既可以在启动时加载，也可以在运行时动态加载。其中启动时加载还可以通过类似-javaagent:myagent.jar的方式来间接加载 instrument agent，运行时动态加载依赖的是 JVM 的 attach 机制（JVM Attach 机制实现），通过发送 load 命令来加载 agent。

instrument agent 的核心数据结构如下：

struct _JPLISAgent {
    JavaVM *                mJVM;                   /* handle to the JVM */
    JPLISEnvironment        mNormalEnvironment;     /* for every thing but retransform stuff */
    JPLISEnvironment        mRetransformEnvironment;/* for retransform stuff only */
    jobject                 mInstrumentationImpl;   /* handle to the Instrumentation instance */
    jmethodID               mPremainCaller;         /* method on the InstrumentationImpl that does the premain stuff (cached to save lots of lookups) */
    jmethodID               mAgentmainCaller;       /* method on the InstrumentationImpl for agents loaded via attach mechanism */
    jmethodID               mTransform;             /* method on the InstrumentationImpl that does the class file transform */
    jboolean                mRedefineAvailable;     /* cached answer to "does this agent support redefine" */
    jboolean                mRedefineAdded;         /* indicates if can_redefine_classes capability has been added */
    jboolean                mNativeMethodPrefixAvailable; /* cached answer to "does this agent support prefixing" */
    jboolean                mNativeMethodPrefixAdded;     /* indicates if can_set_native_method_prefix capability has been added */
    char const *            mAgentClassName;        /* agent class name */
    char const *            mOptionsString;         /* -javaagent options string */
};

struct _JPLISEnvironment {
    jvmtiEnv *              mJVMTIEnv;              /* the JVM TI environment */
    JPLISAgent *            mAgent;                 /* corresponding agent */
    jboolean                mIsRetransformer;       /* indicates if special environment */
};

这里解释一下几个重要项：

• mNormalEnvironment：主要提供正常的类 transform 及 redefine 功能。
• mRetransformEnvironment：主要提供类 retransform 功能。
• mInstrumentationImpl：这个对象非常重要，也是我们 Java agent 和 JVM 进行交互的入口，或许写过 javaagent 的人在写`premain`以及`agentmain`方法的时候注意到了有个 Instrumentation 参数，该参数其实就是这里的对象。
• mPremainCaller：指向`sun.instrument.InstrumentationImpl.loadClassAndCallPremain`方法，如果 agent 是在启动时加载的，则该方法会被调用。
• mAgentmainCaller：指向`sun.instrument.InstrumentationImpl.loadClassAndCallAgentmain`方法，该方法在通过 attach 的方式动态加载 agent 的时候调用。
• mTransform：指向`sun.instrument.InstrumentationImpl.transform`方法。
• mAgentClassName：在我们 javaagent 的 MANIFEST.MF 里指定的`Agent-Class`。
• mOptionsString：传给 agent 的一些参数。
• mRedefineAvailable：是否开启了 redefine 功能，在 javaagent 的 MANIFEST.MF 里设置`Can-Redefine-Classes:true`。
• mNativeMethodPrefixAvailable：是否支持 native 方法前缀设置，同样在 javaagent 的 MANIFEST.MF 里设置`Can-Set-Native-Method-Prefix:true`。
• mIsRetransformer：如果在 javaagent 的 MANIFEST.MF 文件里定义了`Can-Retransform-Classes:true`，将会设置 mRetransformEnvironment 的 mIsRetransformer 为 true。

在启动时加载 instrument agent

正如前面“概述”里提到的方式，就是启动时加载 instrument agent，具体过程都在`InvocationAdapter.c`的`Agent_OnLoad`方法里，这里简单描述下过程：

• 创建并初始化 JPLISAgent
• 监听 VMInit 事件，在 vm 初始化完成之后做下面的事情：
  • 创建 InstrumentationImpl 对象
  • 监听 ClassFileLoadHook 事件
  • 调用 InstrumentationImpl 的`loadClassAndCallPremain`方法，在这个方法里会调用 javaagent 里 MANIFEST.MF 里指定的`Premain-Class`类的 premain 方法
• 解析 javaagent 里 MANIFEST.MF 里的参数，并根据这些参数来设置 JPLISAgent 里的一些内容

在运行时加载 instrument agent

在运行时加载的方式，大致按照下面的方式来操作：

VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(pid);
vm.loadAgent(agentPath, agentArgs);

上面会通过 JVM 的 attach 机制来请求目标 JVM 加载对应的 agent，过程大致如下：

• 创建并初始化 JPLISAgent
• 解析 javaagent 里 MANIFEST.MF 里的参数
• 创建 InstrumentationImpl 对象
• 监听 ClassFileLoadHook 事件
• 调用 InstrumentationImpl 的loadClassAndCallAgentmain方法，在这个方法里会调用 javaagent 里 MANIFEST.MF 里指定的Agent-Class类的agentmain方法

instrument agent 的 ClassFileLoadHook 回调实现

不管是启动时还是运行时加载的 instrument agent，都关注着同一个 jvmti 事件——ClassFileLoadHook，这个事件是在读取字节码文件之后回调时用的，这样可以对原来的字节码做修改，那这里面究竟是怎样实现的呢？

void JNICALL

eventHandlerClassFileLoadHook(  jvmtiEnv *              jvmtienv,
                                JNIEnv *                jnienv,
                                jclass                  class_being_redefined,
                                jobject                 loader,
                                const char*             name,
                                jobject                 protectionDomain,
                                jint                    class_data_len,
                                const unsigned char*    class_data,
                                jint*                   new_class_data_len,
                                unsigned char**         new_class_data) {

    JPLISEnvironment * environment  = NULL;

    environment = getJPLISEnvironment(jvmtienv);

    /* if something is internally inconsistent (no agent), just silently return without touching the buffer */

    if ( environment != NULL ) {

        jthrowable outstandingException = preserveThrowable(jnienv);
        transformClassFile( environment->mAgent,
                            jnienv,
                            loader,
                            name,
                            class_being_redefined,
                            protectionDomain,
                            class_data_len,
                            class_data,
                            new_class_data_len,
                            new_class_data,
                            environment->mIsRetransformer);

        restoreThrowable(jnienv, outstandingException);
    }

}

先根据 jvmtiEnv 取得对应的 JPLISEnvironment，因为上面我已经说到其实有两个 JPLISEnvironment（并且有两个 jvmtiEnv），其中一个是专门做 retransform 的，而另外一个用来做其他事情，根据不同的用途，在注册具体的 ClassFileTransformer 时也是分开的，对于作为 retransform 用的 ClassFileTransformer，我们会注册到一个单独的 TransformerManager 里。

接着调用 transformClassFile 方法，由于函数实现比较长，这里就不贴代码了，大致意思就是调用 InstrumentationImpl 对象的 transform 方法，根据最后那个参数来决定选哪个 TransformerManager 里的 ClassFileTransformer 对象们做 transform 操作。

private byte[]
    transform(  ClassLoader         loader,
                String              classname,
                Class               classBeingRedefined,
                ProtectionDomain    protectionDomain,
                byte[]              classfileBuffer,
                boolean             isRetransformer) {

        TransformerManager mgr = isRetransformer?

                                        mRetransfomableTransformerManager :
                                        mTransformerManager;

        if (mgr == null) {

            return null; // no manager, no transform

        } else {

            return mgr.transform(   loader,
                                    classname,
                                    classBeingRedefined,
                                    protectionDomain,
                                    classfileBuffer);

        }

    }

  public byte[]

    transform(  ClassLoader         loader,
                String              classname,
                Class               classBeingRedefined,
                ProtectionDomain    protectionDomain,
                byte[]              classfileBuffer) {

        boolean someoneTouchedTheBytecode = false;
        TransformerInfo[]  transformerList = getSnapshotTransformerList();
        byte[]  bufferToUse = classfileBuffer;

        // order matters, gotta run 'em in the order they were added

        for ( int x = 0; x < transformerList.length; x++ ) {

            TransformerInfo         transformerInfo = transformerList[x];
            ClassFileTransformer    transformer = transformerInfo.transformer();
            byte[]                  transformedBytes = null;

            try {

                transformedBytes = transformer.transform(   loader,
                                                            classname,
                                                            classBeingRedefined,
                                                            protectionDomain,
                                                            bufferToUse);

            }

            catch (Throwable t) {

                // don't let any one transformer mess it up for the others.
                // This is where we need to put some logging. What should go here? FIXME

            }

            if ( transformedBytes != null ) {
                someoneTouchedTheBytecode = true;
                bufferToUse = transformedBytes;
            }

        }

        // if someone modified it, return the modified buffer.
        // otherwise return null to mean "no transforms occurred"

        byte [] result;

        if ( someoneTouchedTheBytecode ) {
            result = bufferToUse;
        }
        else {
            result = null;
        }

        return result;

    }   

以上是最终调到的 java 代码，可以看到已经调用到我们自己编写的 javaagent 代码里了，我们一般是实现一个 ClassFileTransformer 类，然后创建一个对象注册到对应的 TransformerManager 里。

这里说的 class transform 其实是狭义的，主要是针对第一次类文件加载时就要求被 transform 的场景，在加载类文件的时候发出 ClassFileLoad 事件，然后交给 instrumenat agent 来调用 javaagent 里注册的 ClassFileTransformer 实现字节码的修改。

类重新定义，这是 Instrumentation 提供的基础功能之一，主要用在已经被加载过的类上，想对其进行修改，要做这件事，我们必须要知道两个东西，一个是要修改哪个类，另外一个是想将那个类修改成怎样的结构，有了这两个信息之后就可以通过 InstrumentationImpl 下面的 redefineClasses 方法操作了：

public void redefineClasses(ClassDefinition[]   definitions) throws  ClassNotFoundException {

        if (!isRedefineClassesSupported()) {

            throw new UnsupportedOperationException("redefineClasses is not supported in this environment");

        }

        if (definitions == null) {

            throw new NullPointerException("null passed as 'definitions' in redefineClasses");

        }

        for (int i = 0; i < definitions.length; ++i) {

            if (definitions[i] == null) {

                throw new NullPointerException("element of 'definitions' is null in redefineClasses");

            }

        }

        if (definitions.length == 0) {

            return; // short-circuit if there are no changes requested

        }

        redefineClasses0(mNativeAgent, definitions);

    }

在 JVM 里对应的实现是创建一个VM_RedefineClasses的VM_Operation，注意执行它的时候会 stop-the-world：

jvmtiError

JvmtiEnv::RedefineClasses(jint class_count, const jvmtiClassDefinition* class_definitions) {

//TODO: add locking

  VM_RedefineClasses op(class_count, class_definitions, jvmti_class_load_kind_redefine);

  VMThread::execute(&op);

  return (op.check_error());

} /* end RedefineClasses */

这个过程我尽量用语言来描述清楚，不详细贴代码了，因为代码量实在有点大：

• 挨个遍历要批量重定义的 jvmtiClassDefinition
• 然后读取新的字节码，如果有关注 ClassFileLoadHook 事件的，还会走对应的 transform 来对新的字节码再做修改
• 字节码解析好，创建一个 klassOop 对象
• 对比新老类，并要求如下：
  • 父类是同一个
  • 实现的接口数也要相同，并且是相同的接口
  • 类访问符必须一致
  • 字段数和字段名要一致
  • 新增的方法必须是 private static/final 的
  • 可以删除修改方法
• 对新类做字节码校验
• 合并新老类的常量池
• 如果老类上有断点，那都清除掉
• 对老类做 JIT 去优化
• 对新老方法匹配的方法的 jmethodId 做更新，将老的 jmethodId 更新到新的 method 上
• 新类的常量池的 holer 指向老的类
• 将新类和老类的一些属性做交换，比如常量池，methods，内部类
• 初始化新的 vtable 和 itable
• 交换 annotation 的 method、field、paramenter
• 遍历所有当前类的子类，修改他们的 vtable 及 itable

上面是基本的过程，总的来说就是只更新了类里的内容，相当于只更新了指针指向的内容，并没有更新指针，避免了遍历大量已有类对象对它们进行更新所带来的开销。

retransform class 可以简单理解为回滚操作，具体回滚到哪个版本，这个需要看情况而定，下面不管那种情况都有一个前提，那就是 javaagent 已经要求要有 retransform 的能力了：

• 如果类是在第一次加载的的时候就做了 transform，那么做 retransform 的时候会将代码回滚到 transform 之后的代码
• 如果类是在第一次加载的的时候没有任何变化，那么做 retransform 的时候会将代码回滚到最原始的类文件里的字节码
• 如果类已经加载了，期间类可能做过多次 redefine(比如被另外一个 agent 做过)，但是接下来加载一个新的 agent 要求有 retransform 的能力了，然后对类做 redefine 的动作，那么 retransform 的时候会将代码回滚到上一个 agent 最后一次做 redefine 后的字节码

我们从 InstrumentationImpl 的retransformClasses方法参数看猜到应该是做回滚操作，因为我们只指定了 class：

    public void retransformClasses(Class<?>[] classes) {

        if (!isRetransformClassesSupported()) {

            throw new UnsupportedOperationException( "retransformClasses is not supported in this environment");

        }

        retransformClasses0(mNativeAgent, classes);

    }

不过 retransform 的实现其实也是通过 redefine 的功能来实现，在类加载的时候有比较小的差别，主要体现在究竟会走哪些 transform 上，如果当前是做 retransform 的话，那将忽略那些注册到正常的 TransformerManager 里的 ClassFileTransformer，而只会走专门为 retransform 而准备的 TransformerManager 的 ClassFileTransformer，不然想象一下字节码又被无声无息改成某个中间态了。

private:

  void post_all_envs() {

    if (_load_kind != jvmti_class_load_kind_retransform) {

      // for class load and redefine,

      // call the non-retransformable agents

      JvmtiEnvIterator it;

      for (JvmtiEnv* env = it.first(); env != NULL; env = it.next(env)) {

        if (!env->is_retransformable() && env->is_enabled(JVMTI_EVENT_CLASS_FILE_LOAD_HOOK)) {

          // non-retransformable agents cannot retransform back,

          // so no need to cache the original class file bytes

          post_to_env(env, false);

        }

      }

    }

    JvmtiEnvIterator it;

    for (JvmtiEnv* env = it.first(); env != NULL; env = it.next(env)) {

      // retransformable agents get all events

      if (env->is_retransformable() && env->is_enabled(JVMTI_EVENT_CLASS_FILE_LOAD_HOOK)) {

        // retransformable agents need to cache the original class file

        // bytes if changes are made via the ClassFileLoadHook

        post_to_env(env, true);

      }

    }

  }

javaagent 除了做字节码上面的修改之外，其实还有一些小功能，有时候还是挺有用的

• 获取所有已经被加载的类：Class[] getAllLoadedClasses();
• 获取所有已经初始化了的类： Class[] getInitiatedClasses(ClassLoader loader);
• 获取某个对象的大小： long getObjectSize(Object objectToSize);
• 将某个 jar 加入到 bootstrap classpath 里优先其他 jar 被加载： void appendToBootstrapClassLoaderSearch(JarFile jarfile);
• 将某个 jar 加入到 classpath 里供 appclassloard 去加载：void appendToSystemClassLoaderSearch(JarFile jarfile);
• 设置某些 native 方法的前缀，主要在找 native 方法的时候做规则匹配： void setNativeMethodPrefix(ClassFileTransformer transformer, String prefix)。

李嘉鹏，花名寒泉子，使用“你假笨”的 ID 混迹网络，蚂蚁金服码农一枚。本科毕业四年多，一直待在支付宝，先后从事过监控系统、框架容器以及性能分析系统等研发工作，其中从事框架容器三年多，主要负责开发支付宝的统一编程框架 sofa，2014 年下半年开始重点从事性能分析系统的研发工作并于年底加入 JVM 团队。

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感谢臧秀涛对本文的审校。