Skywalking的增强与拦截机制

整理自架构经理(汤哥)的分享

字节增强条件匹配

在 skywalking 中实现很多基于 byte-buddy 的关于链式匹配查询的实现， 代码如下所示：

public abstract class AbstractJunction<V> implements ElementMatcher.Junction<V>

其对应的类的类图关系如下所示：

除此之外， 为了便于更好的执行在拦截时期的的匹配， skywalking  又定义了一套自实现的 Match  的匹配器， 类的简要类图关系如下所示：

其中 NameMatch 名称 Match 的 NameMatch 好象相对类的继承相关较独立，但是其它方式的 Match 继承结构相对有点复杂， 都继承于IndirectMatch ， 上面类的简意类图对应的类的完整类图详情如下所示：

插件方式增强的扩展点

所有的基于 skywalking 的整套增强逻辑框架下，如查有新的要增强的中间件或组件， 必须遵守其制定的插件扩展规范， 其具体的规范如下：

一、 在对应的插件的 jar 包的 classpath 下必须存在定义文件 skywalking-plugin.def ，文件中必须包括 对 JTI 中的 Instrumentation 的自定义类的全限定名， 以 Dubbo 增强为例， 其内容为

dubbo=org.apache.skywalking.apm.plugin.dubbo.DubboInstrumentation

二、自定义的 Instrumentation 必须继承至 ClassInstanceMethodsEnhancePluginDefine 抽象类 , 在类中，须指定这个设施的增强的两个核心要素内容：

A). 须要增强的目标类 , Enhance Class
B). 插件中自己要实现的具体的拦截实现 xxxxxInterceptor
同样以 Dubbo 为例， 如果要自定义自己的插件实的话，则就要指定如下内容：

三、最后就是要真实的定义一个 实现接口 InstanceMethodsAroundInterceptor  的一个拦截实现

对于每一个插件来说， 不一定只能有一个 Interceptor ， 还可以有多个， 因为有时不一定只是要对一个类或一个方法进行拦截， 可能是多个类， 也有可能是一个类中的多个方法， 或多个类的多个方法，因此，在最初的 Instrumentation 入口定义之外，就提供了可以多个方法的增强扩展， 具体的如下图针对 Dubbo 的增强所示：

插件方式增强主体逻辑

理解实现插件增强机理的类与类之间的关系，犹为重要，它也是 sky-walking 的对于中间件以插件方式进行增强操作的核心， 下面我们就来仔细的分析下，是如何进行自定义插件， 并如何进行对中间件的增强的。在整个的增强的机制中， ClassEnhancePluginDefine 是很重要， 很核心的一个类， 在其 enhance 方法中， 分别指定了对

• 静态方法增强
• 实现方法增强
• 定义了 ConstructorInterceptPoint、InstanceMethodsInterceptPoint、StaticMethodsInterceptPoint

这三个 构造器，实例方法， 静态方法拦截点的 抽象 方法， 让插件子类去实现拦截点

下面是在 Dubbo  为例 DubboInstrumentation  插件主体实现依赖的类图关系：

上面的是以 ClassEnhancePluginDefine 为核心的主体的核心类图结构， 现在主要讲一下此类的内部的主要构成与执行序列， 完整的类图如下所示：

从上面可知， ClassEnhancePluginDefine 继承至 AbstractClassEnhancePluginDefine ， 做为所有的插件都要继承实现的基础， 抽象类AbstractClassEnhancePluginDefine 具体定义了什么行为， 这些行为又有哪些意义？什么地方在调用这个方法？

AbstractClassEnhancePluginDefine 中有四个方法

• enhance 抽象方法， 抽象类中无实现， 子类去实现，具体的增强的逻辑
• enhanceClass 抽象方法， 抽象类中无实现，子类去实现，具体的要增强的类的 Match
• witnessClasses 也是可以被重载的一个方法，子类可重载
• define 实例方法，它主要做了下面的几次事 （ 入口方法）

1 找到增强插件类的所有显式指定的 WitnessClasses - 用户自己重载显式指定
2 调用 enhance 方法， 执行真正的插件的增强逻辑，返回新的 DynamicType.Builder
3 设置上下文， 标记初始化定义步骤已完成
4 最后再返回新的 第 2 中的增强后的 newClassBuilder

那么在这个类中，最为重要的一个方法 define 又是谁调用的呢？

上面的就是这个类方法被使用的 Usages 情况， 主要是被 Sky-Walking Agent 的 Agent 主入口调用， 这个方法也是使用 byte-buddy 的字节码增强的 agent 中的一个使用范式， 也就是说在 agent 执行真正的 transformer , 所有的插件中因为都是继承至AbstractClassEnhancePluginDefine ， 自然它们的 define 的定义的初始化方法， 也就会被全部调用初始化， 代码如下所示：

对于 snow-walking  来说， 使用 Agent  的固定范式（ 来自于 byte-buddy  的固定实现方式）如下所示：

至此，已经分析完了， 所有 sky-walking  的自定义插件都必须要继承并重载的抽象类 AbstractClassEnhancePluginDefine  ， 它定义了所有的Agent 插件都必须要实现的行为， 以及它自身需要定义与初始化的行为逻辑。

接下为， 真正的主角上场了， 它就是 ClassEnhancePluginDefine  ,  其类的依赖关系如下：

下面看一下 类的本身的方法， 总共有 六 个方法：

enhance  方法， 重载了父类抽象类 AbstractClassEnhancePluginDefine  的方法， 做为所有插件的基类， 它定义了 enhance  方法必须所具备的操作。此方法的内部主要做了两件事：

• enhanceClass ， 增强一个类，以拦截其静态方法
• enhanceInstance ，增强一个类，以拦截其构造器 与 实例方法

除了重载的方法外， 其它的三个方法， 分别提供了对应的拦截点：

在实现自定义插件逻辑的时候， 要重载这三个方法中的实现， 以 Dubbo 插件拦截扩展为例， 在 DubboInstrumentation  中 就重载了 父类的getInstanceMethodsInterceptPoints方法， 以此来告诉父类中的共性 enhance  增强处理逻辑， 本插件的实例方法拦截点的一些元数据信， 区配的方法是什么，要增强的类是哪一个，是否要重载其方法参数，这些信息。

上面这里， 在具体的 ClassEnhancePluginDefine  实现插件内部， 对于拦截器 intercepter  都是指定的是 字符串 String  类型， 那么父类中ClassEnhancePluginDefine 是如何转化，并在什么时机调用这个 intercepter 的实现类， 以执行拦截的真实的逻辑的呢？

那上面的这里从用户自定义的插件中显式的指定了 intercepter Fullname了，到了ClassEnhancePluginDefine后，进行enhance时，会最终都落在 byte-buddy  的 builder. method (....).intercpet (MethodDelegation.xxxx)

这样的固定增强的编程范式当中去。在 sky-walking 的实现中， 它又将 intercepter 的名称， 根据不同的增强类型，传入了不同类型的具体的委托执行实例当中去执行了。在 sky-walking 中， 根据增强的分类类型，委托执行实例分为以下几种：

它们分别是， 静态方法固定拦截委托实现器，实例方法固定拦截委托实现器，构造器固定拦截委托实现器， 它们只有一个主要的核心执行方法， 就是 intercept ， 这个方法在执行时是与 byte-budy 的 MethodDelegation 配套使用的， 此方法必须要显式的按规定指定相应的byte-buddy 的 Annotation 方能正常的执行增强工作。

因为这三个固定类型的拦截器的处理方式都是差不多， 这里就以 静态方法拦截器举例分析其内部的执行原理。先看一下这个拦截器的类
的依赖情况：

从上面的此拦截器的依赖情况可以， 它主要依赖两个：

• StaticMethodsAroundInterceptor ， 这个接口的实现者是自定义插件自行根据需求实现的
• InterceptorInstanceLoader ，这个是用户自定义插件的拦截器的类加载器

之前我们说， 执行 byte-buddy 固定的 intercept 逻辑范式时， 通过 MethodDelegation 委托给了 sky-walking 的预设定的几个类型的拦截器，在构建这些固定拦截器时， 传入的都是用户自定义的拦截器的 ClassFullName ， 所以在真实的固定类型的拦截器内部，就得有一个机制去加载用户自定义的拦截器，只有这样， 这些拦截器才能被调用执行。
这些拦截器有三个固定的方法：

• beforeMethod ， 被拦截方法之前执行
• afterMethod ，被拦截方法之后执行
• handleMethodException ，处理捕获执行期间的异常

OK ， 分析到这里， 基本上， 用户自定义增强插件，如何被增强，如何被拦截执行的过程应该算是比较清楚了。

增强与拦截机制总结

下图是整理后的关于 sky-walking  的 APM 中用户自定义插件的完整的调用链路， 它对于插件如何生效并进行增强与拦截的调用过程做了描绘。