Java动态追踪技术--BTrace

Java动态追踪技术

  • 需求翻译官的日常工作不是在的改bug，发布代码，就是在加日志查找bug的路上。查BUG的过程是痛苦的，我们总是在不停的看代码，修改代码，添加日志，从而帮助我们发现问题，这种形式是比较繁琐的，不断的在发布项目，开发效率也不高，而且线上的问题排查不可能让你经常添加调试代码，能不能找到一种和JSP一样快捷的方式呢。
JSP模式

  • 对应大多数程序员来说，早期的时候都接触过JSP（java server pages）。虽然之后在前后端分离的主流思想下主键淘汰不用了，但是JSP还是有一些比较值得我们去思考的点，例如我们在使用JSP写页面效果的时候，修改代码只需要刷新页面，而不需重启服务，就可以看到页面展示效果。并不需要重启JVM。

  • 按照我们的常识，java程序一般都需要启动时候加载类文件，如果像JSP这样修改完代码，不用重启就生效，那么我们就不用这么痛苦的查bug，直接加代码又不用发，加日志看下就解决了。其实是JSP的运行机制和java不一样，当我们打开浏览器，请求一个JSP文件有如下流程：
    在这里插入图片描述

  • JSP文件修改后，之所以能及时生效，是因为tomcate会检查请求的JSP文件是否被更改过。如果发送过更改，呢么就会将JSP文件重新解析，翻译成一个新的java，从而产生新的servlet类，加载到jvm中。

  • 但是此处有一个问题，根据java类加载机制，同一个classLoader中，类是不允许重复的。为绕开这个限制，Tomcate每次会创建一个新的ClassLoader实例，来加载新编译的servlet类。之后的请求都会有这个新的Servlet来处理，这样就实现了新旧JSP的切换。

  • HTTP服务是无状态的，所以JSP的场景基本上是一次性消费，请求后给当前解析后的jsp内容，这种通过ClassLoader来替换class的方法在JSP上可行，因为有一个翻译过程，但是在Spring应用中，对象大多是单例，存在内存中，就算创建新ClassLoader也要全部在处理一次，不太现实，所有这种方式在Spring项目中不可行。

  • BTrace 插桩

java 对象行为
  • java对象使用两种东西来描述事物： 方法，属性
    • java对象的属性跟着对象走，每个对象存储一份
    • java对象的方法，函数存储在方法区
      在这里插入图片描述
  • 如上图：
    • 方法区中数据是类加载时候从class文件中取出
    • class文件是从java或者其他符号jvm规范的源码中编译来的
    • 源码我们我们可以自己控制
  • 通过上面几个步骤我们能否找到办法去修改需要加载的类，从而达到我们的目的，并且需要满足几个条件：
    • 需要修改字节码中目标方法所在区域，然后重新加载这个类
    • 只修改调用方法，不修改对象的属性，也不印象已经存在的对象状态
    • 不违背jvm类加载原理，也就是这个类还是这个类，还是同一个ClassLoader
  • 还真有：java.lang.instrument.Instrumentation
Instrumentation
  • 我们来查一下Java API中对这个类的描述信息：
该类提供了用于设计Java编程语言代码所需的服务。 仪器是向方法添加字节码，用于收集工具要使用的数据。 由于这些更改纯粹是加法的，因此这些工具不会修改应用程序的状态或行为。 这种良性工具的示例包括监视代理，剖析器，覆盖分析器和事件记录器。
  • 文档描述中有两个我们能用得到的方法：redefineClasses和retransformClasses。一个重新定义class，一个修改class。这两个差不多功能，
//   使用提供的类文件重新定义提供的一组类。
void redefineClasses(ClassDefinition... definitions)throws ClassNotFoundException,UnmodifiableClassException
//重新转换提供的一组类。
void retransformClasses(类<?>... classes)throws UnmodifiableClassException
  • 两个方法都是替换已经存在的class文件，redefineClasses是自己提供字节码文件替换已经存在的class，retransformClasses是在已经存在的字节码文件上修改后在替换。
  • 既然JDK提供了这种API，那么我们可以在编译得到class文件后，在通过redefineClass替换，就能加日志，修改class文件，从而达到上文中不重启修改的目的。
直接操作字节码
  • 我们通过JDK的api来修改了本要加载的一个Class字节码文件，字节码文件也是程序语言，只不过人类不好理解，可读性远没有java代码高。
  • 一般人都不会去直接修改字节码文件，但是，有一部分杰出的程序员，创造出来可以直接编辑字节码的框架，提供接口可以让我们方便的去操作字节码文件，进行注入修改类的方法，动态创造一个新的类等等操作。其中最著名的就是ASM，现在我们接触的cglib，Spring等框架中对字节码的操作就是基于ASM上的，
实现方式

  • 截止目前都是针对开始遇到的问题的理论层面的可行性研究，那么我们怎么实现，而且修改线上的字节码文件简直就是在作死,而且实施起来会有意想不到的困难：

    • 寻找工程中的这个字节码
    • 修改这个字节码，然后reTransform这个字节码
    • 我们无法预知某个程序出错需要去修改字节码，也不可能每个工程都开发一段专门的程序去修改字节码，并且重新加载改代码，这样成本太高
    • 即使我们能解决上面的问题，我们也不一定会用ASM，需要更通用的办法
    • JVM不在本地，在远程，我们也是需要解决的问题
    • 修改线上JVM中字节码文件简直在作死，这存在巨大的安全性问题

  • 幸运的是，已经有人吧这么都搞定了，因为有一个开源工具BTrace的存在，描述非常精炼：

A safe, dynamic tracing tool for the Java platform

  • BTrace 是基于Java预约的一个安全，可提供动态追踪服务的工具。BTrace基于ASM，Java Attach API， Instruments开发，为用户提供很多注解，依靠这些注解，可以编写BTrace脚本（简单的Java脚本）达到我们的目的，而不必对ASM有深刻理解。

  • 我们看下Attach 的api

  • 看BTrace官网的一个简单例子：拦截所有java.io包中所有类以read开头的方法，打印类名，方法名，参数名。当程序IO负载比较高的时候，可以从输出的信息看到是哪些类引起的，如此的方便：

package com.sun.btrace.samples;import com.sun.btrace.annotations.*;
import com.sun.btrace.AnyType;
import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*;/*** This sample demonstrates regular expression* probe matching and getting input arguments* as an array - so that any overload variant* can be traced in "one place". This example* traces any "readXX" method on any class in* java.io package. Probed class, method and arg* array is printed in the action.*/
@BTrace public class ArgArray {@OnMethod(clazz="/java\\.io\\..*/",method="/read.*/")public static void anyRead(@ProbeClassName String pcn, @ProbeMethodName String pmn, AnyType[] args) {println(pcn);println(pmn);printArray(args);}
}
先理解在应用

  • 既然BTrace能解决以上的问题，那么他是怎么做到的，他的架构是怎么样的，我们可以从管网的信息中找到答案：

  • BTrace主要有一下几个模块

    • BTrace脚本：利用BTrace定义的注解，我们可以很方便的更具需要进行脚本开发
    • Compiler（编译）：将BTrace脚本编译成BTrace class文件
    • Client：将Class文件发送到Agent
    • Agent：基于Java的Attach Api，Agent可以动态附着一个运行的JVM上，然后开启一个BTrace Server，接受Client发过来的BTrace脚本。解析脚本然后根据脚本中的规则找到要修改的类；然后调用Java Instruments的reTransform接口完成对象行为的修改并使之生效。

在这里插入图片描述

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安全性
  • 如上流程最终借助Java instruments 和Java Attach api实现class替换，出于安全考虑，instruments在使用上会有诸多的限制:
    • 不允许创建对象
    • 不允许创建数组
    • 不允许抛异常
    • 不允许catch异常
    • 不允许随意调用其他对象或者类的方法，只允许调用com.sun.btrace.BTraceUtils中提供的静态方法（一些数据处理和信息输出工具）
    • 不允许改变类的属性
    • 不允许有成员变量和方法，只允许存在static public void方法
    • 不允许有内部类、嵌套类
    • 不允许有同步方法和同步块
    • 不允许有循环
    • 不允许随意继承其他类（当然，java.lang.Object除外）
    • 不允许实现接口
    • 不允许使用assert
    • 不允许使用Class对象
  • 如此多的限制，其实可以理解。BTrace要做的是，虽然修改了字节码，但是除了输出需要的信息外，对整个程序的正常运行并没有影响。
应用
  • 应用详见本人git项目
Arthas
  • BTrace脚本使用上也有一定学习成本，如果吧常用功能封装好，提供简单命令，那就编程了Archas
最后
  • 总结我们之前的知识点，Java的Instruments给运行时的动态追踪留下了一个初始APi，Attach API则给运行时动态追踪提供了“出入口”，ASM则大大方便了“人类”操作Java字节码的操作。
  • 所以基于以上JDK api，前辈们创造出来诸如JProfiler， JVisualvm，BTrace，Archas这样的工具。
  • 以上大大提高了软件开发人民定位问题的效率。

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