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分类: Java

2012-05-28 22:15:39



最近学习了一下ClassWorking的相关知识,总结了一下,可能有很多的不妥之处,还望各位大神不要说我剽窃
~~(●′ω`●)~~。


1. ClassWorking技术

IBM所提出的,动态地监测、修改运行时JVM中的Java字节码文件,从而在充分挖掘应用程序的动态性时,又不会像使用反射那样大大降低系统的性能,Class Working使得静态编码的代码性能与反射的灵活性得以结合。

ClassWorking中,Java Class文件只不过是一种数据结构而已,通过编写程序或者使用相关的开源项目来对Class文件修改。

ClassWorking,虽然IBM给出的定义中看,更加偏向于对Java类字节码进行修改这个方面,但是由于修改字节码文件一般都是进行运行时的修改,(如果是静态修改的话,那我就直接修改源码然后编译运行就好了)修改往往涉及着Java Instrumentation的相关原理,因此我将Java Instrumentation也纳入ClassWorking的范畴之内。在本节中,给出ClassWorking的大致介绍,由于主要的精力在StarfishNutch中,因此也仅仅是一个大致的介绍。

1.1. Java Instrumentation

Java InstrumentationJDK5.0以来诞生的新技术,JDK5.0中,Java Instrumentation更倾向于作为一种新技术而进行出现,而在JDK6.0中,Java Instrumentation才真正的成熟和实用起来。

java Instrumentation是指可以用独立于应用程序之外的代理(agent)程序来监测和协助运行在JVM上的应用程序。这种监测和协助包括但不限于获取JVM运行时状态,替换和修改类定义等。

使用 Instrumentation,开发者可以构建一个独立于应用程序的代理程序(Agent),用来监测和协助运行在 JVM 上的程序,甚至能够替换和修改某些类的定义。有了这样的功能,开发者就可以实现更为灵活的运行时虚拟机监控和 Java 类操作了,这样的特性实际上提供了一种虚拟机级别支持的 AOP 实现方式,使得开发者无需对 JDK 做任何升级和改动,就可以实现某些 AOP 的功能了。

在 Java SE 6 里面,instrumentation 包被赋予了更强大的功能:启动后的 instrument、本地代码(native codeinstrument,以及动态改变 classpath 等等。

1.1.1. 接口和类的介绍

Java Instrumentation的主要内容都包含在包java.lang.instrument之中。总共只有两个接口和一个类

接口ClassFileTransfomer,主要用于类的转换,规定了用户应该是实现的转换函数byte[] transform()。转换完的类是二进制数据,从byte[]数组看出。

1.1.2. Java Instrumentation实例

给出一个使用到Java Instrumentation的例子,来更加真切地体会一下Java的动态性,在这个例子中,我们将在运行时修改类TransClass的字节码,修改的方法是将它替换成另外一个类的字节码,从而动态改变JVM中已经加载好的类:

准备工作

首先编写一个要被Instrumentation的类,这个类非常的简单:

 public class TransClass { 

 public int getNumber() { 

 return 1; 

    } 

 } 

这个类拥有一个getNumber()函数,然后调用返回一个固定值1。接下来写一个main函数来进行测试:

 public class TestMainInJar { 

    public static void main(String[] args) { 

        System.out.println(new TransClass().getNumber()); 

    } 

 } 

Main函数将TransClass类的信息打印了出来,函数的运行结果肯定显示的是1。然后再编写一个类,这个类和TransClass基本相同,唯一不同的地方就是函数的返回值:

 public class TransClass2 { 

 public int getNumber() { 

 return 2; 

    } 

 } 

返回值变成了2,因此把类名也修改成了TransClass2

代码编写,实现Instrument包中的相应接口

为了能够进行动态替换,需要按照Instrumentation中的API进行代码的编写工作。要实现接口ClassFileTransformer,以及其中的函数byte[] transform()函数:

class Transformer implements ClassFileTransformer { 

    public static final String classNumberReturns2 = "TransClass2.class"; 

    public static byte[] getBytesFromFile(String fileName) { 

        try { 

            // precondition 

            File file = new File(fileName); 

            InputStream is = new FileInputStream(file); 

            long length = file.length(); 

            byte[] bytes = new byte[(int) length]; 

            // Read in the bytes 

            int offset = 0; 

            int numRead = 0; 

            while (offset 

                    && (numRead = is.read(bytes, offset, bytes.length - offset)) >= 0) { 

                offset += numRead; 

            } 

            if (offset < bytes.length) { 

                throw new IOException("Could not completely read file "

                        + file.getName()); 

            } 

            is.close(); 

            return bytes; 

        } catch (Exception e) { 

            System.out.println("error occurs in _ClassTransformer!"

                    + e.getClass().getName()); 

            return null; 

        } 

    } 

    public byte[] transform(ClassLoader l, String className, Class c, 

            ProtectionDomain pd, byte[] b) throws IllegalClassFormatException { 

        if (!className.equals("TransClass")) { 

            return null; 

        } 

        return getBytesFromFile(classNumberReturns2); 

    } 

 } 

现在对我们示例代码中的关键部分进行解析:Transformer实现了接口ClassFileTransformer及接口函数byte[] transform()。函数transform()传入参数包括该类的类加载器,类名,原字节码字节流等,返回被转换后的字节码字节流。也就是这个函数完成了类的转换。在此类中,我们的transform()判断被传入的类名,如果类名为“TransClass”则执行相应类的修改操作。

而函数getBytesFromFile()完成了实际的类的修改工作:读入TransClass2类的class文件的字节流,然后再替换掉TransClass类的class文件。从而体现了Java的动态性。

最后编写一个premain函数(函数名是固定的),完成Instrumentation的收尾工作。

public class Premain { 

    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) 

            throws ClassNotFoundException, UnmodifiableClas***ception { 

        inst.addTransformer(new Transformer()); 

    } 

 } 

打包与运行

将所有的东西打到一个Jar包里面,并修改MANIFEST.MF文件:

Manifest-Version: 1.0 

 Premain-Class: Premain 

最后运行java命令,设置agent代理即可:

java javaagent:TestInstrument1.jar  TestMainInJar

运行代码之后,控制台将输出2

1.1.3. Java Instrumentation的其他方式

刚才给出的示例是在Java 5 Instrumentation的方式,在Java 6中,这种特性被大大的加强了。用户进行Instrumentation的时候可以不用在程序运行的开始就指定agentjar包,而是在程序运行的时候动态指定:

java attach.Test 33902

attach.Test即我们的Instrument类,用于动态监测和修改其他的类,而33902是我们Instrumentation的目标类的运行时的PID,这里就不再介绍细节了。

1.1.4. Java Instrumentation的缺陷

从上面的介绍和实例可以看出,Java Instrumentation在动态性来说实在是非常的强大,但是有一个比较大的缺陷就是对于修改Java字节码文件方面的弱点:由于我们对底层的Class文件不了解,因此修改起来就十分的困难,在刚才的实例中,我们对于TransClass的修改仅仅是通过替换方式。

1.2. 字节码修改

虽说单纯的JDK API中没有很好的字节码修改的接口函数等功能的提供,但是目前来说,已经存在很多的开源的字节码修改工具和项目了。包括BCELASMJavassistCGLIB等开源工具。这些工具的具体的使用方法和细节都没有去了解,因为太过于复杂而且和项目的关系不是很大,因此这里给出一个简单的列表,大致展示每种开源的字节码框架的特点:

2.1几种流行的字节码修改框架

框架名称

Class修改视角

性能

BCEL

字节码

很差

ASM

访问模式+字节码

最好

Javassist

源代码

稍差

CGLIB

封装了ASM

未知

上表可以看出,给出了几种不同的修改Class视角的方式,源代码层级的修改更加容易,用户就像修改源代码一样进行相应的修改即可。而字节码层面的修改方式则比较的晦涩难懂,用户需要对JVM的底层有一些了解才行。(例如apacheBCEL,在介绍使用BCEL之前,花费了大量的篇章讲述了JVM的底层的简化知识,就是为了使得用户便于使用)而其余的一些开源项目则是在字节码的层面上进行了相应的封装,就是为了便于使用。

1.3. BTrace

BTrace可以说是ClassWorking的一个非常好的开源的软件。它并不像其他字节码修改工具那样,只是单纯进行Class文件的修改,而是结合了Java Instrumentation,使得开发人员可以使用BTrace作为一个工具对代码进行相应的调试。

1.3.1. BTrace的功能结构

有一个BTrace的比较好的公式:

BTrace脚本解析引擎 + Objectweb ASM + JDK6 Instumentation

可以看出BTrace主要由三大部分组成。三大部分各司其职,从用户编程接口到字节码修改的修改再到Java Instrumentation动态监测和修改程序,形成一个完整的机体。

BTrace脚本解析引擎

这一部分主要面向用户进行编程使用,将用户编写的BTrace进行解析,变成ASM使用的代码,有点像高级语言编译的意味。用户使用BTrace脚本进行编程就变得非常容易了,远远不像BCELASM那样来得麻烦。

用户使用BTrace脚本利用到了Java注解编程的相关技术例如:

@BTrace

public class HelloWorld {

    @OnMethod(

        clazz="java.lang.Thread",

        method="start"

    )

 

    public static void func() {

        println("about to start a thread!");

    }

}

@OnMethod告诉Btrace解析引擎需要代理的类和方法。这个例子的作用是当java.lang.Thread类的任意一个对象调用 start 方法后,会调用 func 方法。

ASM修改字节码文件

解析完脚本后,Btrace会使用ASM将脚本里标注的类java.lang.Thread的字节码重写,植入跟踪代码或新的逻辑。在上面那个例子中,Java.lang.Thread这个类的字节码被重写了。并在start方法体尾部植入了 func 方法的调用。ASM的使用,由于比较困难,就不再进行介绍了。

Java Instrumentation动态性

ASM修改字节码的代码逻辑则被放到了Java Instrumentation中函数transform()中,来完成对特定类的字节码的修改。

这样在软件具体的运行时,可以这样:

Btrace 1234 HelloWorld.java

来对pid1234JVM进程进行Instrumentation,体现ClassWorking的完整的精髓。

1.3.2. BTrace的学习难度

可以看出BTrace确实是一个比较强大的工具,但是当前BTrace还是有一些问题的,主要的问题就是BTrace的相关资料实在是太少了。官方给出的资料也只是一些BTrace的示例程序,官网给出的BTrace的源码地址也下载不下来。互联网上搜索BTrace的教程之类的技术帖也讲述的比较浅显,因此目前对于BTrace的了解也非常浅显,希望以后可以努力加强这方面的工作。

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