基于Java Instrument的Agent实现

柔情只为你懂 2022-01-28 02:59 142阅读 0赞

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# 0 介绍 #

使用 Instrumentation，**使得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。

利用 java.lang.instrument 做静态 Instrumentation 是 Java SE 5 的新特性，**它把 Java 的 instrument 功能从本地代码中解放出来，使之可以用 Java 代码的方式解决问题**。

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 code）instrument，以及动态改变 classpath** 等等。这些改变，意味着 **Java 具有了更强的动态控制、解释能力，它使得 Java 语言变得更加灵活多变**。

> 1.  **在 Java SE6 里面，最大的改变使运行时的 Instrumentation 成为可能**。在 Java SE 5 中，**Instrument 要求在运行前利用命令行参数或者系统参数来设置代理类**，在实际的运行之中，**虚拟机在初始化之时（在绝大多数的 Java 类库被载入之前），instrumentation 的设置已经启动，并在虚拟机中设置了回调函数，检测特定类的加载情况，并完成实际工作。但是在实际的很多的情况下，我们没有办法在虚拟机启动之时就为其设定代理，这样实际上限制了 instrument 的应用**。而 Java SE 6 的新特性改变了这种情况，**通过 Java Tool API 中的 attach 方式**，我们可以很方便地 **在运行过程中动态地设置加载代理类，以达到 instrumentation 的目的**。
> 2.  另外，对 native 的 Instrumentation 也是 Java SE 6 的一个崭新的功能，这使以前无法完成的功能 —— **对 native 接口的 instrumentation 可以在 Java SE 6 中，通过一个或者一系列的 prefix 添加而得以完成**。
> 3.  最后，**Java SE 6 里的 Instrumentation 也增加了动态添加 class path的功能**。所有这些新的功能，都使得 instrument 包的功能更加丰富，从而使 Java 语言本身更加强大。

# 1 基本功能和用法 #

事实上，java.lang.instrument 包的实现，是基于JVMTI机制的：**在 Instrumentation 的实现当中，存在一个 JVMTI 的代理程序，通过调用 JVMTI 当中 Java 类相关的函数来完成Java 类的动态操作**。除开 Instrumentation 功能外，**JVMTI 还在虚拟机内存管理，线程控制，方法和变量操作等方面提供了大量有价值的函数**。

> JVMTI（Java Virtual Machine Tool Interface）是一套由 Java 虚拟机提供的，为 JVM 相关的工具提供的本地编程接口集合。JVMTI 是从 Java SE 5 开始引入，整合和取代了以前使用的 Java Virtual Machine Profiler Interface (JVMPI) 和 the Java Virtual Machine Debug Interface (JVMDI)，而在 Java SE 6 中，JVMPI 和 JVMDI 已经消失了。**JVMTI 提供了一套”代理”程序机制，可以支持第三方工具程序以代理的方式连接和访问 JVM，并利用 JVMTI 提供的丰富的编程接口，完成很多跟 JVM 相关的功能**。

## 1.1 JVM启动前静态Instrument ##

**Instrumentation 的最大作用，就是类定义动态改变和操作**。在 Java SE 5 及其后续版本当中，开发者可以在一个普通 Java 程序（带有 main 函数的 Java 类）运行时，**通过 -javaagent参数指定一个特定的 jar 文件（包含 Instrumentation 代理）来启动 Instrumentation 的代理程序**。

1.  **编写 premain 函数**
    
    **编写一个 Java 类，包含如下两个方法当中的任何一个**：
    
        public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst);  [1]
        public static void premain(String agentArgs); [2]
    
    其中，**\[1\] 的优先级比 \[2\] 高，将会被优先执行（\[1\] 和 \[2\] 同时存在时，\[2\] 被忽略）**。在这个 premain 函数中，开发者可以进行对类的各种操作。
    
    > 1.  **agentArgs 是 premain 函数得到的程序参数**，随同 “-javaagent”一起传入。与 main 函数不同的是，**这个参数是一个字符串而不是一个字符串数组**，如果程序参数有多个，程序将自行解析这个字符串。
    > 2.  **Inst 是一个 java.lang.instrument.Instrumentation 的实例，由 JVM 自动传入**。java.lang.instrument.Instrumentation 是 instrument 包中定义的一个接口，也是这个包的核心部分，**集中了其中几乎所有的功能方法**，例如类定义的转换和操作等等。
2.  **jar 文件打包**
    
    将这个 Java 类打包成一个 jar 文件，**并在其中的META-INF/MAINIFEST.MF属性当中加入” Premain-Class”来指定步骤 1 当中编写的那个带有 premain 的 Java 类**。（可能还需要指定其他属性以开启更多功能）
3.  **运行**
    
    用如下方式运行带有 Instrumentation 的 Java 程序：
    
        java -javaagent:jar文件的位置 [= 传入 premain 的参数 ]

**举个替换Java类文件栗子：采用简单的类文件替换的方式来演示 Instrumentation 的使用**

对 Java 类文件的操作，可以理解为对一个 byte 数组的操作（将类文件的二进制字节流读入一个 byte 数组）。**开发者可以在“ClassFileTransformer”的 transform 方法当中得到，操作并最终返回一个类的定义（一个 byte 数组）**。

1.  **首先，我们有一个简单的类，TransClass， 可以通过一个静态方法返回一个整数 1**
    
        public class TransClass { 
            public int getNumber() { 
               return 1; 
            } 
        }
    
    我们运行如下类，可以得到输出 “1”：
    
        public class TestMainInJar { 
          public static void main(String[] args) { 
             System.out.println(new TransClass().getNumber()); 
          } 
        }
2.  **然后，我们将 TransClass 的 getNumber 方法改成如下：**
    
        public int getNumber() { 
            return 2; 
        }
    
    再将这个返回 2 的 Java 文件编译成类文件，为了区别开原有的返回 1 的类，**我们将返回 2 的这个类文件命名为 TransClass2.class.2**。
3.  **接下来，我们建立一个 Transformer 类：这个类实现了 ClassFileTransformer 接口**
    
        import java.io.File; 
        import java.io.FileInputStream; 
        import java.io.IOException; 
        import java.io.InputStream; 
        import java.lang.instrument.ClassFileTransformer; 
        import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException; 
        import java.security.ProtectionDomain; 
        
        public class Transformer implements ClassFileTransformer { 
        
            public static final String classNumberReturns2 = "TransClass.class.2"; 
        
            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 <bytes.length 
                         && (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; 
                } 
            } 
           /**
            * 参数： 
            * loader - 定义要转换的类加载器；如果是引导加载器，则为 null 
            * className - 完全限定类内部形式的类名称和 The Java Virtual Machine Specification 中定义的接口名称。例如，"java/util/List"。 
            * classBeingRedefined - 如果是被重定义或重转换触发，则为重定义或重转换的类；如果是类加载，则为 null 
            * protectionDomain - 要定义或重定义的类的保护域 
            * classfileBuffer - 类文件格式的输入字节缓冲区（不得修改） 
            * 返回： 
            * 一个格式良好的类文件缓冲区（转换的结果），如果未执行转换,则返回 null。 
            * 抛出： 
            * IllegalClassFormatException - 如果输入不表示一个格式良好的类文件 
            */
            public byte[] transform(ClassLoader l, String className, Class<?> c, 
                 ProtectionDomain pd, byte[] b) throws IllegalClassFormatException { 
                if (!className.equals("TransClass")) { 
                    return null; 
                } 
                return getBytesFromFile(classNumberReturns2); 
            } 
        }
    
    **其中，getBytesFromFile 方法根据文件名读入二进制字符流，而 ClassFileTransformer 当中规定的 transform 方法则完成了类定义的替换转换**。
4.  **最后，我们建立一个 Premain 类，写入 Instrumentation 的代理方法 premain：**
    
        public class Premain { 
            public static void premain(String agentArgs， Instrumentation inst)  throws ClassNotFoundException， UnmodifiableClassException { 
                inst.addTransformer(new Transformer()); 
            } 
        }
    
    可以看出，addTransformer 方法并没有指明要转换哪个类。**转换发生在 premain 函数执行之后，main 函数执行之前，这时每装载一个类，transform 方法就会执行一次，看看是否需要转换**，所以，在 transform（Transformer 类中）方法中，程序用 className.equals("TransClass") 来判断当前的类是否需要转换。
5.  **代码完成后，我们将他们打包为 TestInstrument1.jar。返回 1 的那个 TransClass 的类文件保留在 jar 包中，而返回 2 的那个 TransClass.class.2 则放到 jar 的外面。在 manifest 里面加入如下属性来指定 premain 所在的类：**
    
        Manifest-Version: 1.0 
        Premain-Class: Premain
6.  **在运行这个程序的时候，如果我们用普通方式运行这个 jar 中的 main 函数，可以得到输出“1”。如果用下列方式运行：**
    
        java -javaagent:TestInstrument1.jar -cp TestInstrument1.jar TestMainInJar
    
    则会得到输出“2”。
    
    当然，**程序运行的 main 函数不一定要放在 premain 所在的这个 jar 文件里面**，这里只是为了例子程序打包的方便而放在一起的。 **除开用 addTransformer 的方式，Instrumentation 当中还有另外一个方法“redefineClasses”来实现 premain 当中指定的转换**。用法类似，如下：
    
        public class Premain { 
            public static void premain(String agentArgs， Instrumentation inst)  throws ClassNotFoundException， UnmodifiableClassException { 
                ClassDefinition def = new ClassDefinition(TransClass.class， Transformer.getBytesFromFile(Transformer.classNumberReturns2)); 
                inst.redefineClasses(new ClassDefinition[] { def }); 
                System.out.println("success"); 
            } 
        }
    
    **redefineClasses 的功能比较强大，可以批量转换很多类。**

![Image 1][]

多个代理可以同时执行，按照代理指定的顺序被依次调用

## 1.2 JVM启动后动态Instrument ##

在 Java SE 5 当中，开发者只能在 premain 当中施展想象力，**所作的 Instrumentation 也仅限与 main 函数执行前，这样的方式存在一定的局限性**。

在 Java SE 5 的基础上，Java SE 6 针对这种状况做出了改进，**开发者可以在 main 函数开始执行以后，再启动自己的 Instrumentation 程序**。

在 Java SE 6 的 Instrumentation 当中，**有一个跟 premain“并驾齐驱”的“agentmain”方法，可以在 main 函数开始运行之后再运行**。跟 premain 函数一样， 开发者可以编写一个含有“agentmain”函数的 Java 类：

public static void agentmain (String agentArgs, Instrumentation inst); [1] 
    public static void agentmain (String agentArgs);[2]

同样，**\[1\] 的优先级比 \[2\] 高，将会被优先执行（\[1\] 和 \[2\] 同时存在时，\[2\] 被忽略）**。跟 premain 函数一样，开发者可以在 agentmain 中进行对类的各种操作。其中的 agentArgs 和 Inst 的用法跟 premain 相同。

> 与“Premain-Class”类似，开发者必须在 manifest 文件里面设置“Agent-Class”来指定包含 agentmain 函数的类。

可是，跟 premain 不同的是，agentmain 需要在 main 函数开始运行后才启动，**这样的时机应该如何确定呢，这样的功能又如何实现呢？**

在 Java SE 6 文档当中，开发者也许无法在 java.lang.instrument 包相关的文档部分看到明确的介绍，更加无法看到具体的应用 agnetmain 的例子。不过，在 Java SE 6 的新特性里面，有一个不太起眼的地方，揭示了 agentmain 的用法。**这就是 Java SE 6 当中提供的 Attach API**。

Attach API 不是 Java 的标准 API，而是 Sun 公司提供的一套扩展 API，**用来向目标 JVM ”附着”（Attach）代理工具程序的**。有了它，**开发者可以方便的监控一个 JVM，运行一个外加的代理程序**。

Attach API 很简单，只有 2 个主要的类，都在 com.sun.tools.attach 包里面：

> 1.  **VirtualMachine 代表一个 Java 虚拟机**，也就是程序需要监控的目标虚拟机，提供了 JVM 枚举，**Attach 动作和 Detach 动作（Attach 动作的相反行为，从 JVM 上面解除一个代理）等等** ;
>     
>     VirtualMachine类，该类允许我们 **通过给attach方法传入一个jvm的pid（进程id），远程连接到jvm上** 。然后我们可以 **通过loadAgent方法向jvm注册一个代理程序agent，在该agent的代理程序中会得到一个Instrumentation实例**，该实例可以 **在class加载前改变class的字节码，也可以在class加载后重新加载**。在调用Instrumentation实例的方法时，这些方法会使用ClassFileTransformer接口中提供的方法进行处理。
> 2.  **VirtualMachineDescriptor 则是一个描述虚拟机的容器类**，配合 VirtualMachine 类完成各种功能。

**为了简单起见，我们举例简化如下**：依然用类文件替换的方式

> 1.  将一个返回 1 的函数替换成返回 2 的函数，Attach API 写在一个线程里面，用睡眠等待的方式，**每隔半秒时间检查一次所有的 Java 虚拟机**，当发现有新的虚拟机出现的时候，**就调用 attach 函数，随后再按照 Attach API 文档里面所说的方式装载 Jar 文件**。等到 5 秒钟的时候，attach 程序自动结束。
> 2.  在 main 函数里面，程序每隔半秒钟输出一次返回值（显示出返回值从 1 变成 2）。

**TransClass 类和 Transformer 类的代码不变，参看上一节介绍。 含有 main 函数的 TestMainInJar 代码为：**

// 程序每隔半秒钟输出一次返回值（显示出返回值从 1 变成 2）
    public class TestMainInJar { 
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            System.out.println(new TransClass().getNumber()); 
            int count = 0; 
            while (true) { 
                Thread.sleep(500); 
                count++; 
                int number = new TransClass().getNumber(); 
                System.out.println(number); 
                if (3 == number || count >= 10) { 
                    break; 
                } 
            } 
        } 
    }

**含有 agentmain 的 AgentMain 类的代码为：**

import java.lang.instrument.ClassDefinition; 
    import java.lang.instrument.Instrumentation; 
    import java.lang.instrument.UnmodifiableClassException; 
    
    public class AgentMain { 
        public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst)  throws ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException, InterruptedException { 
            inst.addTransformer(new Transformer (), true); 
            inst.retransformClasses(TransClass.class); 
            System.out.println("Agent Main Done"); 
        } 
    }

其中，**retransformClasses 是 Java SE 6 里面的新方法，它跟 redefineClasses 一样，可以批量转换类定义，多用于 agentmain 场合**。

Jar 文件跟 Premain 那个例子里面的 Jar 文件差不多，也是把 main 和 agentmain 的类，TransClass，Transformer 等类放在一起，打包为“TestInstrument1.jar”，而 Jar 文件当中的 Manifest 文件为 :

Manifest-Version: 1.0 
    Agent-Class: AgentMain

另外，为了运行 Attach API，我们可以再写一个控制程序来模拟监控过程：

import com.sun.tools.attach.VirtualMachine; 
    import com.sun.tools.attach.VirtualMachineDescriptor; 
    ……
    // 一个运行 Attach API 的线程子类
    // 每隔半秒时间检查一次所有的 Java 虚拟机
    static class AttachThread extends Thread { 
            
            private final List<VirtualMachineDescriptor> listBefore; 
    
            private final String jar; 
    
            AttachThread(String attachJar, List<VirtualMachineDescriptor> vms) { 
                listBefore = vms;  // 记录程序启动时的 VM 集合
                jar = attachJar; 
            } 
    
            public void run() { 
                VirtualMachine vm = null; 
                List<VirtualMachineDescriptor> listAfter = null; 
                try { 
                    int count = 0; 
                    while (true) { 
                        listAfter = VirtualMachine.list(); 
                        for (VirtualMachineDescriptor vmd : listAfter) { 
                            if (!listBefore.contains(vmd)) { 
                                // 如果 VM 有增加，我们就认为是被监控的 VM 启动了
                                // 这时，我们开始监控这个 VM 
                                vm = VirtualMachine.attach(vmd); 
                                break; 
                            } 
                        } 
                        Thread.sleep(500); 
                        count++; 
                        if (null != vm || count >= 10) { 
                            break; 
                        } 
                    } 
                    vm.loadAgent(jar); 
                    vm.detach(); 
                } catch (Exception e) { 
                     ignore 
                } 
            } 
        } 
    ……
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {     
         new AttachThread("TestInstrument1.jar", VirtualMachine.list()).start(); 
    }

运行时，**首先运行上面这个启动新线程的 main 函数**，然后，在 5 秒钟内（仅仅简单模拟 JVM 的监控过程）运行如下命令启动测试 Jar 文件 :

java –cp TestInstrument1.jar TestMainInJar

如果时间掌握得不太差的话，程序首先会在屏幕上打出 1，这是改动前的类的输出，然后会打出一些 2，**这个表示 agentmain 已经被 Attach API 成功附着到 JVM 上，代理程序生效了**，当然，还可以看到“Agent Main Done”字样的输出。

## 1.3 本地方法Instrument ##

在 JDK 1.5 版本的 instumentation 里，并没有对Java本地方法（Native Method）的处理方式，而且在 Java 标准的 JVMTI 之下，并没有办法改变 method signature， 这就使替换本地方法非常地困难。**一个比较直接而简单的想法是，在启动时替换本地代码所在的动态链接库**—— 但是这样，**本质上是一种静态的替换，而不是动态的 Instrumentation**。

而且，这样可能需要编译较大数量的动态链接库 —— 比如，我们有三个本地函数，假设每一个都需要一个替换，而在不同的应用之下，可能需要不同的组合，那么如果我们把三个函数都编译在同一个动态链接库之中，最多我们需要 8 个不同的动态链接库来满足需要。当然，我们也可以独立地编译之，那样也需要 6 个动态链接库——无论如何，这种繁琐的方式是不可接受的。

在 Java SE 6 中，新的 Native Instrumentation 提出了一个新的 native code 的解析方式，作为原有的 native method 的解析方式的一个补充，来很好地解决了一些问。这就是在新版本的 java.lang.instrument 包里，**我们拥有了对 native 代码的 instrument 方式 —— 设置 prefix**。

假设我们有了一个 native 函数，名字叫 nativeMethod，**在运行过程中，我们需要将它指向另外一个函数（需要注意的是，在当前标准的 JVMTI 之下，除了 native 函数名，其他的 signature 需要一致）**。比如我们的 Java 代码是：

package nativeTester; 
    class nativePrefixTester{ 
        …
         native int nativeMethod(int input); 
        …
    }

那么我们已经实现的本地代码是 :

jint Java_nativeTester_nativeMethod(jclass thiz, jobject thisObj, jint input);

现在我们需要在调用这个函数时，使之指向另外一个函数。那么按照 J2SE 的做法，**我们可以按他的命名方式，加上一个 prefix 作为新的函数名。比如，我们以 "another\_" 作为 prefix**，那么我们新的函数是 :

jint Java_nativeTester_another_nativePrefixTester(jclass thiz, jobject thisObj, jint input);

然后将之编入动态链接库之中。 **现在我们已经有了新的本地函数，接下来就是做 instrument 的设置**。正如以上所说的，**我们可以使用 premain 方式，在虚拟机启动之时就载入 premain 完成 instrument 代理设置。也可以使用 agentmain 方式，去 attach 虚拟机来启动代理**。而设置 native 函数的也是相当简单的 :

premain(){  // 或者也可以在 agentmain 里
        …
        if (!isNativeMethodPrefixSupported()){ 
            return; // 如果无法设置，则返回
        } 
        setNativeMethodPrefix(transformer,"another_"); // 设置 native 函数的 prefix，注意这个下划线必须由用户自己规定
        …
    }

在这里要注意两个问题：

1.  **不是在任何的情况下都是可以设置 native 函数的 prefix 的；首先，我们要注意到 agent 包之中的 Manifest 所设定的特性 :**
    
        Can-Set-Native-Method-Prefix
    
    要注意，**这一个参数都可以影响是否可以设置 native prefix**，而且，在默认的设置之中，这个参数是 false 的，我们需要将之设置成 true（顺便说一句，对 Manifest 之中的属性来说都是大小写无关的，当然，如果给一个不是“true”的值，就会被当作 false 值处理）。
    
    当然，我们还需要**确认虚拟机本身是否支持 setNativePrefix**。在 Java API 里，**Instrumentation 类提供了一个函数 isNativePrefix，通过这个函数我们可以知道该功能是否可以实行**。
2.  **我们可以为每一个 ClassTransformer 加上它自己的 nativeprefix：**
    
    **每一个 ClassTransformer 都可以为同一个 class 做 transform**，因此对于一个 Class 来说，一个 native 函数可能有不同的 prefix，因此对这个函数来说，它可能也有好几种解析方式。 在 Java SE 6 当中，Native prefix 的解释方式如下：**对于某一个 package 内的一个 class 当中的一个 native method 来说，首先，假设我们对这个函数的 transformer 设置了 native 的 prefix“another”，它将这个函数接口解释成** :
    
    由 Java 的函数接口：
    
        native void method()
    
    和上述 prefix"another"，去寻找本地代码中的函数：
    
        // 请注意 prefix 在函数名中出现的位置！
        void Java_package_class_another_method(jclass theClass, jobject thiz);
    
    一旦可以找到，那么调用这个函数，整个解析过程就结束了；**如果没有找到，那么虚拟机将会做进一步的解析工作。我们将利用 Java native 接口最基本的解析方式 , 去找本地代码中的函数** :
    
        void Java_package_class_method(jclass theClass, jobject thiz);
    
    如果找到，则执行之。否则，因为没有任何一个合适的解析方式，于是宣告这个过程失败。 那么如果有多个 transformer，同时每一个都有自己的 prefix，又该如何解析呢？**事实上，虚拟机是按 transformer 被加入到的 Instrumentation 之中的次序去解析的（还记得我们最基本的 addTransformer 方法吗？）**。 假设我们有三个 transformer 要被加入进来，他们的次序和相对应的 prefix 分别为：transformer1 和“prefix1\_”，transformer2 和 “prefix2\_”，transformer3 和 “prefix3\_”。那么，虚拟机会首先做的就是将接口解析为 :
    
        native void prefix1_prefix2_prefix3_native_method()
    
    然后去找它相对应的 native 代码。 但是如果第二个 transformer（transformer2）没有设定 prefix，那么很简单，我们得到的解析是：
    
        native void prefix1_prefix3_native_method()
    
    这个方式简单而自然。 当然，对于多个 prefix 的情况，我们还要注意一些复杂的情况。比如，假设我们有一个 native 函数接口是：
    
        native void native_method()
    
    然后我们为它设置了两个 prefix，比如 "wrapped\_" 和 "wrapped2\_"，那么，我们得到的是什么呢？
    
        // 这个函数名正确吗？
        void Java_package_class_wrapped_wrapped2_method(jclass theClass, jobject thiz);
    
    答案是否定的，**因为事实上，对 Java 中 native 函数的接口到 native 中的映射，有一系列的规定，因此可能有一些特殊的字符要被代入**。而实际中，这个函数的正确的函数名是：
    
        // 只有这个函数名会被找到
        void Java_package_class_wrapped_1wrapped2_1method(jclass theClass, jobject thiz);
    
    很有趣不是吗？因此如果我们要做类似的工作，**一个很好的建议是首先在 Java 中写一个带 prefix 的 native 接口，用 javah 工具生成一个 c 的 header-file，看看它实际解析得到的函数名是什么，这样我们就可以避免一些不必要的麻烦**。
    
    另外一个事实是，与我们的想像不同，**对于两个或者两个以上的 prefix，虚拟机并不做更多的解析；它不会试图去掉某一个 prefix，再来组装函数接口。它做且仅作两次解析**。
    
    总之，**新的 native 的 prefix-instrumentation 的方式，改变了以前 Java 中 native 代码无法动态改变的缺点**。在当前，**利用 JNI 来写 native 代码也是 Java 应用中非常重要的一个环节**，因此它的动态化意味着整个 Java 都可以动态改变了 —— **现在我们的代码可以利用加上 prefix 来动态改变 native 函数的指向**。
    
    正如上面所说的，如果找不到，虚拟机还会去尝试做标准的解析，这让我们拥有了动态地替换 native 代码的方式，我们可以将许多带不同 prefix 的函数编译在一个动态链接库之中，**而通过 instrument 包的功能，让 native 函数和 Java 函数一样动态改变、动态替换**。 当然，现在的 native 的 instrumentation 还有一些限制条件，比如，不同的 transformer 会有自己的 native prefix，就是说，**每一个 transformer 会负责他所替换的所有类而不是特定类的 prefix** —— 因此这个粒度可能不够精确。

## 1.4 BootClassPath / SystemClassPath 的动态增补 ##

我们知道，通过设置系统参数或者通过虚拟机启动参数，我们可以**设置一个虚拟机运行时的 boot class 加载路径（-Xbootclasspath）和 system class（-cp）加载路径**。当然，我们在运行之后无法替换它。然而，我们也许有时候要需要把某些 jar 加载到 bootclasspath 之中，而我们无法应用上述两个方法；**或者我们需要在虚拟机启动之后来加载某些 jar 进入 bootclasspath**。在 Java SE 6 之中，我们可以做到这一点了。

实现这几点很简单，首先，我们依然需要 **确认虚拟机已经支持这个功能**，然后在 premain/agantmain 之中加上需要的 classpath。**我们可以在premain/agentmain方法中 Instrumentation inst 里使用 appendToBootstrapClassLoaderSearch/appendToSystemClassLoaderSearch来完成这个任务**。

同时我们可以注意到，**在 agent 的 mainfest 里加入 Boot-Class-Path 其实一样可以在动态地载入agent自己的 boot class 路径**，当然，在 Java code 中它可以更加动态方便和智能地完成 —— 我们可以很方便地加入判断和选择成分。

**在这里我们也需要注意几点：**

1.  首先，**我们加入到 classpath 的 jar 文件中不应当带有任何和系统的 instrumentation 有关的系统同名类**，不然，一切都陷入不可预料之中 —— 这不是一个工程师想要得到的结果，不是吗？
2.  其次，**我们要注意到虚拟机的 ClassLoader 的工作方式，它会记录解析结果**。比如，我们曾经要求读入某个类 someclass，但是失败了，ClassLoader 会记得这一点。即使我们在后面动态地加入了某一个 jar，含有这个类，ClassLoader 依然会认为我们无法解析这个类，与上次出错的相同的错误会被报告。
3.  再次我们知道在 Java 语言中有一个系统参数“java.class.path”，这个 property 里面记录了我们当前的 classpath，但是，我们使用这两个函数，**虽然真正地改变了实际的 classpath，却不会对这个 property 本身产生任何影响**。

> 在公开的 JavaDoc 中我们可以发现一个很有意思的事情，Sun 的设计师们告诉我们，**这个功能事实上依赖于 ClassLoader 的 appendtoClassPathForInstrumentation 方法 —— 这是一个非公开的函数，因此我们不建议直接（使用反射等方式）使用它，事实上，instrument 包里的这两个函数已经可以很好的解决我们的问题了**。

## 1.5 META-INF/MAINIFEST.MF清单 ##

**以下是agent jar文件的Manifest Attributes清单：**

> 1.  **Premain-Class** 如果 JVM 启动时指定了代理，那么此属性指定代理类，**即包含 premain 方法的类**。如果 JVM 启动时指定了代理，那么此属性是必需的。如果该属性不存在，那么 JVM 将中止。**注：此属性是类名，不是文件名或路径**。
> 2.  **Agent-Class** 如果实现支持 VM 启动之后某一时刻启动代理的机制，那么此属性指定代理类，**即包含 agentmain 方法的类**。 此属性是必需的，如果不存在，代理将无法启动。**注：这是类名，而不是文件名或路径**。
> 3.  **Boot-Class-Path** 设置引导类加载器搜索的路径列表。路径表示目录或库（在许多平台上通常作为 JAR 或 zip 库被引用）。**查找类的特定于平台的机制失败后，引导类加载器会搜索这些路径**。按列出的顺序搜索路径。列表中的路径由一个或多个空格分开。路径使用分层 URI 的路径组件语法。如果该路径以斜杠字符（“/”）开头，则为绝对路径，否则为相对路径。相对路径根据代理 JAR 文件的绝对路径解析。忽略格式不正确的路径和不存在的路径。如果代理是在 VM 启动之后某一时刻启动的，则忽略不表示 JAR 文件的路径。此属性是可选的。
> 4.  **Can-Redefine-Classes** 布尔值（true 或 false，与大小写无关）。**是否能重定义此代理所需的类**。true 以外的值均被视为 false。此属性是可选的，默认值为 false。
> 5.  **Can-Retransform-Classes** 布尔值（true 或 false，与大小写无关）。**是否能重转换此代理所需的类**。true 以外的值均被视为 false。此属性是可选的，默认值为 false。
> 6.  **Can-Set-Native-Method-Prefix** 布尔值（true 或 false，与大小写无关）。**是否能设置此代理所需的本机方法前缀**。true 以外的值均被视为 false。此属性是可选的，默认值为 false。

# 2 Instrument两个核心API #

1.  **ClassFileTransformer**：**定义了类加载前的预处理类**，可以在这个类中对要加载的类的字节码做一些处理，譬如进行字节码增强；
2.  **Instrumentation**：增强器，由JVM在入口参数中传递给我们，提供了如下的功能：
    
    > 1.  **addTransformer/removeTransformer**：注册/删除ClassFileTransformer；
    > 2.  **retransformClasses**：**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**，需要注意的是，新加载的类不能修改旧有的类声明，譬如不能增加属性、不能修改方法声明；
    > 3.  **redefineClasses**：与如上类似，**但不是重新进行转换处理**，而是直接把处理结果(bytecode)直接给JVM；
    > 4.  **getAllLoadedClasses**：**获得当前已经加载的Class**，可配合retransformClasses使用；
    > 5.  **getInitiatedClasses**：**获得由某个特定的ClassLoader加载的类定义**；
    > 6.  **getObjectSize**：**获得一个对象占用的空间**，包括其引用的对象；
    > 7.  **appendToBootstrapClassLoaderSearch/appendToSystemClassLoaderSearch**：增加BootstrapClassLoader/SystemClassLoader的搜索路径；
    > 8.  **isNativeMethodPrefixSupported/setNativeMethodPrefix**：**判断JVM是否支持拦截Native Method**；

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