一件程序员必备武器的诞生
作者 | 刘欣
责编 | 伍杏玲
本文经授权转载自码农翻身（ID： coderising）
夜已深，但是Java第一代国王却无心睡眠，帝国刚刚建立，东边的C/C++王国虎视眈眈，随时准备把新生的王国扼杀在摇篮中。
今日GUI大臣上奏，说帝国子民抱怨运行速度慢，这一点Java国王也没有好办法，解释执行嘛，肯定比不上编译好的程序，不过Java国王已经下令去研发HotSpot了，等到儿子即位就会大有改观。
不过GUI大臣提出的另外一个问题的确让人发愁： 帝国子民写出的程序调试困难， 大家得用最原始的System.out.println()来查看变量，定位错误。
这怎么能行？ 程序不能调试，相当于瘸了一条腿啊！ 这将严重影响新生Java帝国的找Bug事业。
调试的基础
第二天早朝，眼圈发黑的国王把JVM大臣怒斥了一顿，勒令他马上把调试这一块给搞好。
JVM大臣非常委屈：“陛下，当初我们在设计Class文件的字节码的时候，就考虑到了调试的需求，Java文件编译成class文件以后，其中有个叫做LineNumberTable的区域，它描述了Java源代码和字节码行号（字节码偏移量）之间的对应关系，有了它，我们才能加断点调试啊！”
他担心国王不明白是怎么回事，现场画了一张图。
国王没有心思去理解那些iload, iadd,istore是什么含义，但是他理解了源代码和字节码之间的对应关系，确实是在LineNumberTable中记录的。
源码的第13行 是int sum = x + y；对应的字节码行号是0 ~ 3。
源码中第14行是 return sum。对应的字节码行号是 4 ~ 5。
国王点头认可，问道：“那是不是可以做一个调试器了？”
JVM大臣：“臣正有此意，臣打算把Java的调试器叫做jdb。”
IO大臣听到JDB立刻跳了起来：“加(J)多(D)宝(B)，你怎么不叫王老吉啊！”
JVM大臣蔑视地看了IO大臣一眼：“C王国有个调试器叫gdb， 我把它叫做jdb, Java Debugger， 别想歪了！”
国王说：“你这个JDB是命令行的吧？”
JVM大臣答道：“陛下明鉴， 臣这里只能弄个命令行的调试器，因为帝国的子民用的IDE都不一样，臣也没法给每个IDE都开发一个图形界面的调试器，这不是臣应该干的活。”
国王点头：“寡人理解，你的重点还是要放在HotSpot上，我们已经被C/C++嘲笑很久了，能不能翻身出这口恶气就靠你了。”
GUI大臣说：“陛下圣明，我们应该充分发挥我们Java帝国善于制定规范和协议的特长，搞一套关于调试的规范出来，这样，任何人/任何IDE都可以根据规范来开发一个调试器。”
国王：“爱卿之言甚合我意，GUI大臣，IO大臣，JVM大臣，你们三个通力合作，把这一套规范给制定出来！”
JVM接口
三位大臣不敢怠慢，一退朝就急忙赶到JVM大臣府上讨论这套规范该怎么制定。
JVM大臣率先发言：“诸位，我这里设置一个底线，那就是调试器和被调试的程序不要处于一个JVM中。”
GUI大臣表示不解：“为什么？”
“很简单，如果它们两个在一个JVM中，那被调试程序的独立性就不能保证了，可能会受到调试器的影响。举个极端的例子，调试器占据了很多Heap空间，导致被调试程序OOM了.....”
IO大臣：“那我们可以设计成C/S模式的，让它们之间通过socket通信怎么样？”
“如果这调试器和被调试程序都在一台机器上，用socket多少有点怪，我们也要支持共享内存的方式来通信。”
GUI大臣说：“如此看来， JVM老兄，你得提供接口啊，让调试器可以访问Java程序在运行时的状态，嗯，我觉得至少得有这些功能：
-
获取一个线程的状态， 挂起一个线程，让线程恢复执行， 设置一个线程，单步执行
-
获取线程的当前栈帧，调用栈帧，栈帧对应的方法名
-
获取变量的值， 设置变量的值
-
设置断点，清除断点
-
查看类的信息，方法，字段 等等”
JVM大臣撇了一眼GUI大臣，心说这家伙是个内行啊，看来写过不少GUI的调试器，不过他也难不住我，我负责JVM，拿到这些Java程序运行时的信息还不是小菜一碟？
JVM大臣说：“这没问题，我可以把这些接口给细化了，形成规范，然后请一道圣旨，要求各个JVM的提供商都要实现这些接口。”
“不过，” JVM大臣接着说：“为了通用性和性能，我这里只能提供C语言的接口。嗯，这个接口就叫做JVM Tool Interface，简称JVM TI。”
“那怎么通过socket来使用啊？” GUI大臣急了。
IO大臣说：“封装一下嘛，程序员可以写个程序（Agent），充当通信的桥梁 。”
通信
GUI大臣说：“唉，这就麻烦了，我们还得考虑通信的协议问题！”
IO大臣：“那是，刚才你提的那一大堆调试的需求，都需要能通过网络发给JVM才行，不过不用担心，这方面我擅长，让我来制定一个协议，供调试器和JVM 通信 ！这个协议的名称就叫 （JDWP）Java Debug Wire Protocol 吧。”
IO大臣看到JVM大臣的JVM TI，心中痒痒，也急不可耐地提出了创造了属于自己的缩写。
创造通信协议的机会可不多，IO大臣浮现出一幅调试器和JVM通信的场景：
双方先来一个“握手”，表明通信要开始了，然后调试器可以发送命令给JVM，JVM处理以后发送响应，还可以主动向调试器推送事件，嗯，这个协议应该是异步的......
调试器
GUI大臣看到这这张图，立刻意识到一个问题：“如果我们把JVM关于调试的能力使用JDWP这个协议的方式暴露出来，那调试器可以使用任意语言来编写啊！”
IO大臣笑道：“是啊，可不仅仅是你老兄的Swing、AWT，别人用C、C++、Python、C#都可以写一个调试器。”
GUI大臣说到：“不不，陛下看到这个设计肯定会发怒的，我们还是提供一个Java版本的接口吧，让这个接口把JDWP还有什么JVM TI都给封装起来，主要供我们的Java IDE来使用，来集成。”
看到JVM大臣提出了JVM TI ，IO大臣提出了JDWP，自己没有，怎么在陛下那里交差？GUI大臣赶紧说：“嗯，我希望这个接口叫做 JDI( Java Debug Interface)，怎么样？”
三位大臣相视一笑，心照不宣， 这下平衡了。
早朝
又是早朝， JVM大臣代表三人向国王献上了设计图，着重强调了自己提出的JVM TI是多么精妙，完美，至于JDWP、JDI、JVM大臣语焉不详，一笔带过， 气得IO大臣， GUI大臣吹胡子瞪眼。
国王看着设计图，频频点头：“嗯，层次划分得不错，程序员可以直接使用JVM 提供的接口，也可以用JDWP， 还可以用JDI..... ”
三位大臣甚感佩服，国王就是厉害。
可是国王的脸色很快多云转阴：“只有设计图，代码呢？Talk is cheap , show me the code ！”
就在JVM大臣懵逼之时， GUI大臣从怀中掏出一张写满代码的纸，双手呈给了国王，还回过头来对JVM大臣神秘一笑。
国王拿到了代码，只见上面写着：
创建一个断点：
ClassPrepareEvent event = ....略....
ClassType classType = (ClassType) event .referenceType();
// 获取表示第10行的Location对象
Location location = classType.locationsOfLine( 10 ). get ( 0 );
// 通过Location对象创建一个断点
BreakpointRequest bpReq = vm.eventRequestManager().createBreakpointRequest(location);
bpReq.enable();
在断点处获取变量的值：
// 到达了一个断点
BreakpointEvent event = .....略......
//获取当前的线程
ThreadReference threadReference = event .thread();
//获取当前的栈帧
StackFrame stackFrame = threadReference.frame( 0 );
//从栈帧中得到本地变量 i
LocalVariable localVariable = stackFrame.visibleVariableByName( "i" );
Value value = stackFrame.getValue(localVariable);
int i = ((IntegerValue) value ). value ();
System. out .println( "The local variable " + "i"" is "
+ i);
国王扫了一眼，龙颜大悦，说到：“爱卿多虑了，还给我加了这么多注释，其实不加注释我也看得懂，你展示的就是通过JDI这个接口创建断点，然后在断点处获取变量的值。我知道这代码的背后其实会用JDWP协议向JVM TI发出请求，因为所有的数据都在那里，对不对？”
JVM大臣赶紧说：“陛下圣明，一下子就点透了我们几个小心思。”
“各位爱卿受累了，赏黄马褂，朕打算把你们三个人创建的东西合起来起一个名，叫Java Platform Debugger Architecture，JPDA， 怎么样？”
三人哪敢反对？如小鸡啄米般纷纷点头称颂，从此， JPDA就成为了Java帝国有关调试的标准，各个IDE逐渐都用来起来。
后记：实际上JDK最早只有 JVM DI (Debugger Interface) 和 JVM PI （Profile Interface），后来才出现JVM TI，并不是文章中所说的一步到位。
作者简介：刘欣，前IBM架构师，近20年从业经验，「码农翻身」公众号作者，畅销书《码农翻身》作者，用故事讲解技术是拿手好戏。拨开技术迷雾，轻松理解技术本质，从「码农翻身」开始。
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正文到此结束
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