使用java动态字节码技术简单实现arthas的trace功能。

参考资料

ASM 系列详细教程

编译时，找不到asm依赖

用过[Arthas]的都知道，Arthas是alibaba开源的一个非常强大的Java诊断工具。

不管是线上还是线下，我们都可以用Arthas分析程序的线程状态、查看jvm的实时运行状态、打印方法的出入参和返回类型、收集方法中每个代码块耗时，

甚至可以监控类、方法的调用次数、成功次数、失败次数、平均响应时长、失败率等。

前几天学习java动态字节码技术时，突然想起这款java诊断工具的trace功能：打印方法中每个节点的调用耗时。简简单单的，正好拿来做动态字节码入门学习的demo。

程序结构

src
 ├── agent-package.bat
 ├── java
 │   ├── asm
 │   │   ├── MANIFEST.MF
 │   │   ├── TimerAgent.java
 │   │   ├── TimerAttach.java
 │   │   ├── TimerMethodVisitor.java
 │   │   ├── TimerTrace.java
 │   │   └── TimerTransformer.java
 │   └── demo
 │       ├── MANIFEST.MF
 │       ├── Operator.java
 │       └── Test.java
 ├── run-agent.bat
 ├── target-package.bat
 └── tools.jar

　　

编写目标程序

代码

package com.gravel.demo.test.asm;

/**
 * @Auther: syh
 * @Date: 2020/10/12
 * @Description:
 */
public class Test {
    public static boolean runnable = true;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        while (runnable) {
            test();
        }
    }

    // 目标：分析这个方法中每个节点的耗时
    public static void test() throws Exception {
        Operator.handler();
        long time_wait = (long) ((Math.random() * 1000) + 2000);
        Operator.callback();
        Operator.pause(time_wait);
    }
}

　　

Operator.java

/**
 * @Auther: syh
 * @Date: 2020/10/28
 * @Description: 辅助类，同样可用于分析耗时
 */
public class Operator {

    public static void handler() throws Exception {
        long time_wait = (long) ((Math.random() * 10) + 20);
        sleep(time_wait);
    }

    public static void callback() throws Exception {
        long time_wait = (long) ((Math.random() * 10) + 20);
        sleep(time_wait);
    }

    public static void pause(long time_wait) throws Exception {
        sleep(time_wait);
    }

    public static void stop() throws Exception {
        Test.runnable = false;
        System.out.println("business stopped.");
    }

    private static void sleep(long time_wait) throws Exception {
        Thread.sleep(time_wait);
    }
}

　　

MANIFEST.MF

编写MANIFEST.MF文件，指定main-class。注意：冒号后面加空格，结尾加两行空白行。

Manifest-Version: 1.0
Archiver-Version: Plexus Archiver
Built-By: syh
Created-By: Apache Maven
Build-Jdk: 1.8.0_202
Main-Class: com.gravel.demo.test.asm.Target

　　

打包

偷懒写了bat批命令，生成target.jar

@echo off & setlocal
attrib -s -h -r -a /s /d demo
rd /s /q demo
rd /q target.jar
javac -encoding utf-8 -d . ./java/demo/*.java
jar cvfm target.jar ./java/demo/MANIFEST.MF demo
rd /s /q demo
pause
java -jar target.jar

　　

java agent探针

instrument 是 JVM 提供的一个可以修改已加载类文件的类库。而要实现代码的修改，我们需要实现一个 instrument agent。

jdk1.5时，agent有个内定方法premain。是在类加载前修改。所以无法做到修改正在运行的类。
jdk1.6后，agent新增了agentmain方法。agentmain是在虚拟机启动以后加载的。所以可以做拦截、热部署等。

讲JAVA探针技术，实际上我自己也是半吊子。所以这里用的是边分析别人例子边摸索的思路来实现我的简单的trace功能。
例子使用的是ASM字节码生成框架

MANIFEST.MF

首先一个可用的jar，关键之一是MAINFEST.MF文件是吧。

Manifest-Version: 1.0
Archiver-Version: Plexus Archiver
Created-By: Apache Maven
Built-By: syh
Build-Jdk: 1.8.0_202
Agent-Class: asm.TimerAgent
Can-Retransform-Classes: true
Can-Redefine-Classes: true
Class-Path: ./tools.jar
Main-Class: asm.TimerAttach

　　

我们从MANIFEST.MF中提取几个关键的属性

属性	说明
Agent-Class	agentmain入口类
Premain-Class	premain入口类，与agent-class至少指定一个。
Can-Retransform-Classes	对于已经加载的类重新进行转换处理，即会触发重新加载类定义。
Can-Redefine-Classes	对已经加载的类不做转换处理，而是直接把处理结果(bytecode)直接给JVM
Class-Path	asm动态字节码技术依赖tools.jar，如果没有可以从jdk的lib目录下拷贝。
Main-Class	这里并不是agent的关键属性，为了方便，我把加载虚拟机的程序和agent合并了。

代码

然后我们来看看两个入口类，首先分析一个可执行jar的入口类Main-Class。

public class TimerAttach {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        /**
         * 启动jar时，需要指定两个参数：1目标程序的pid。 2 要修改的类路径及方法，格式 package.class#methodName
         */
        if (args.length < 2) {
            System.out.println("pid and class must be specify.");
            return;
        }

        if (!args[1].contains("#")) {
            System.out.println("methodName must be specify.");
            return;
        }

        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(args[0]);
        // 这里为了方便我把 vm和agent整合在一个jar里面了， args[1]就是agentmain的入参。
        vm.loadAgent("agent.jar", args[1]);
    }
}

　　

代码很简单，1：args入参校验；2：加载目标进程pid(args[0])；3：加载agent jar包（因为合并了，所以这个jar其实就是自己）。

其中vm.loadAgent(agent.jar, args[1])会调用agent-class中的agentmain方法，而args[1]就是agentmain的第一个入参。

public class TimerAgent {
    public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
        String[] ownerAndMethod = agentArgs.split("#");
        inst.addTransformer(new TimerTransformer(ownerAndMethod[1]), true);
        try {
            inst.retransformClasses(Class.forName(ownerAndMethod[0]));
            System.out.println("agent load done.");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("agent load failed!");
        }
    }
}

　　

在 agentmain 方法里，我们调用retransformClassess方法载入目标类，调用addTransformer方法加载TimerTransformer类实现对目标类的重新定义。

类转换器

public class TimerTransformer implements ClassFileTransformer {
    private String methodName;

    public TimerTransformer(String methodName) {
        this.methodName = methodName;
    }

    @Override
    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classFileBuffer) {
        ClassReader reader = new ClassReader(classFileBuffer);
        ClassWriter classWriter = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
        ClassVisitor classVisitor = new TimerTrace(Opcodes.ASM5, classWriter, methodName);
        reader.accept(classVisitor, ClassReader.EXPAND_FRAMES);
        return classWriter.toByteArray();
    }
}

　　

对被匹配到的类中的方法进行修改

public class TimerTrace extends ClassVisitor implements Opcodes {
    private String owner;
    private boolean isInterface;
    private String methodName;

    public TimerTrace(int i, ClassVisitor classVisitor, String methodName) {
        super(i, classVisitor);
        this.methodName = methodName;
    }

    @Override
    public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) {
        super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
        owner = name;
        isInterface = (access & ACC_INTERFACE) != 0;
    }

    @Override
    public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String descriptor, String signature,
                                     String[] exceptions) {
        MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, descriptor, signature, exceptions);
        // 匹配到指定methodName时，进行字节码修改
        if (!isInterface && mv != null && name.equals(methodName)) {

            // System.out.println("    package.className:methodName()")
            mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");

            mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/StringBuilder");
            mv.visitInsn(DUP);
            mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/StringBuilder", "<init>", "()V", false);

            mv.visitLdcInsn("    " + owner.replace("/", ".")
                    + ":" + methodName + "() ");
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append",
                    "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);

            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "toString", "()Ljava/lang/String;", false);

            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);

            // 方法代码块耗时统计并打印
            TimerMethodVisitor at = new TimerMethodVisitor(owner, access, name, descriptor, mv);
            return at.getLocalVariablesSorter();
        }
        return mv;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
        TraceClassVisitor tv = new TraceClassVisitor(cw, new PrintWriter(System.out));
        TimerTrace addFiled = new TimerTrace(Opcodes.ASM5, tv, "test");
        ClassReader classReader = new ClassReader("demo.Test");
        classReader.accept(addFiled, ClassReader.EXPAND_FRAMES);

        File file = new File("out/production/asm-demo/demo/Test.class");
        String parent = file.getParent();
        File parent1 = new File(parent);
        parent1.mkdirs();
        file.createNewFile();
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(file);
        fileOutputStream.write(cw.toByteArray());
    }
}

　　

要统计方法中每行代码耗时，只需要在每一行代码的前后加上当前时间戳然后相减即可。

所以我们的代码是这么写的。

public class TimerMethodVisitor extends MethodVisitor implements Opcodes {
    private int start;
    private int end;
    private int maxStack;
    private String lineContent;
    public boolean instance = false;
    private LocalVariablesSorter localVariablesSorter;
    private AnalyzerAdapter analyzerAdapter;

    public TimerMethodVisitor(String owner, int access, String name, String descriptor, MethodVisitor methodVisitor) {
        super(Opcodes.ASM5, methodVisitor);
        this.analyzerAdapter = new AnalyzerAdapter(owner, access, name, descriptor, this);
        localVariablesSorter = new LocalVariablesSorter(access, descriptor, this.analyzerAdapter);
    }

    public LocalVariablesSorter getLocalVariablesSorter() {
        return localVariablesSorter;
    }

    /**
     * 进入方法后，最先执行
     * 所以我们可以在这里定义一个最开始的时间戳, 然后创建一个局部变量var_end
     * Long var_start = System.nanoTime();
     * Long var_end;
     */
    @Override
    public void visitCode() {
        mv.visitCode();
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
        mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/Long", "valueOf", "(J)Ljava/lang/Long;", false);
        start = localVariablesSorter.newLocal(Type.LONG_TYPE);
        mv.visitVarInsn(ASTORE, start);

        end = localVariablesSorter.newLocal(Type.LONG_TYPE);

        maxStack = 4;
    }

    /**
     * 在每行代码后面增加以下代码
     * var_end = System.nanoTime();
     * System.out.println("[" + String.valueOf((var_end.doubleValue() - var_start.doubleValue()) / 1000000.0D) + "ms] " + "package.className:methodName() #lineNumber");
     * var_start = var_end;
     * @param lineNumber
     * @param label
     */
    @Override
    public void visitLineNumber(int lineNumber, Label label) {
        super.visitLineNumber(lineNumber, label);
        if (instance) {
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/Long", "valueOf", "(J)Ljava/lang/Long;", false);
            mv.visitVarInsn(ASTORE, end);

            // System.out
            mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");

            // new StringBuilder();
            mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/StringBuilder");
            mv.visitInsn(DUP);
            mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL, "java/lang/StringBuilder", "<init>", "()V", false);

            mv.visitLdcInsn("        -[");
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append",
                    "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);

            mv.visitVarInsn(ALOAD, end);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/Long", "doubleValue", "()D", false);
            mv.visitVarInsn(ALOAD, start);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/Long", "doubleValue", "()D", false);
            mv.visitInsn(DSUB);
            mv.visitLdcInsn(new Double(1000 * 1000));
            mv.visitInsn(DDIV);
            // String.valueOf((end - start)/1000000)
            mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/String", "valueOf", "(D)Ljava/lang/String;", false);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append",
                    "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);

            mv.visitLdcInsn("ms] ");
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append",
                    "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);

            // .append("owner:methodName() #line")
            mv.visitLdcInsn(this.lineContent + "#" + lineNumber);
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append",
                    "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);

            // stringBuilder.toString()
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "toString", "()Ljava/lang/String;", false);

            // println stringBuilder.toString()
            mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);

            // start = end
            mv.visitVarInsn(ALOAD, end);
            mv.visitVarInsn(ASTORE, start);

            maxStack = Math.max(analyzerAdapter.stack.size() + 4, maxStack);
        }
        instance = true;
    }

    /**
     * 拼接字节码内容
     * @param opcode
     * @param owner
     * @param methodName
     * @param descriptor
     * @param isInterface
     */
    @Override
    public void visitMethodInsn(int opcode, String owner, String methodName, String descriptor, boolean isInterface) {
        super.visitMethodInsn(opcode, owner, methodName, descriptor, isInterface);
        if (!isInterface && opcode == Opcodes.INVOKESTATIC) {
            this.lineContent = owner.replace("/", ".")
                    + ":" + methodName + "() ";
        }
    }

    @Override
    public void visitMaxs(int maxStack, int maxLocals) {
        super.visitMaxs(Math.max(maxStack, this.maxStack), maxLocals);
    }
}

　　

如果初学者不会改字节码。可以利用idea自带的asm插件做参考。

这样，一个可执行的agent jar就写完了，然后打包

@echo off
attrib -s -h -r -a /s /d asm
rd /s /q asm
rd /q agent.jar
javac -XDignore.symbol.file=true -encoding utf-8 -d . ./java/asm/*.java
jar cvfm agent.jar ./java/asm/MANIFEST.MF asm
rd /s /q asm
exit

　　

测试

运行目标程序 target.jar

java -jar target.jar

　　

打印Test.test中每个节点耗时

java -jar agent.jar [pid] demo.Test#test

　　

结果

打印Operator.handler方法每个节点耗时