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JVM源码分析之javaagent原理完全解读

概述

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

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

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 。

javaagent

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。

Class Transform的实现

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。

Class Redefine的实现

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。

Class Retransform的实现

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的其他小众功能

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)。