AOP实践：java.lang.instrument的使用

背景

在 rcjp 项目中，需要调用 ASM API（用于字节码处理的开源库）对字节码进行处理，目标是实现对 Java 程序运行时各种对象的动态跟踪，并进一步分析各个对象之间的关系。在此之前，需要考虑如何获取程序运行的入口。

首先，我考虑到了自定义类加载器（详情见参考资料），即在程序的 main 入口处，首先加载自定义的类加载器，然后通过反射技术使用这个类加载器加载并调用测试程序。这个方法缺点是：每次都必须先找到测试程序的入口类，而对于有的封装成 jar 的程序集合，这一点相对比较难控制。

于是，有了这里介绍的方法：通过 java.lang.instrument 实现的 java agent 对象操作字节码，是一种 AOP 的方法。

程序中，除了 ASMAgent 以外的所有类都是调用 ASM API 实现对测试程序中各个对象的构造、方法调用、属性赋值等操作行为的记录（其中对 Collection 子类的处理着实费了一番心血= =，字节码操作很细节，容易出错）。

原理

JVMTI（Java Virtual Machine Tool Interface）是一套本地编程接口集合，它提供了一套『代理』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。

java.lang.instrument 包的实现，也就是基于这种机制的：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。

Instrumentation 的最大作用就是类定义的动态改变和操作。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。

步骤

1.编写 java 代理类

这个类中，premain 方法是关键，对比于一般的入口 main 一样，这里的 premain 是在 main 之前执行的。它会告诉 JVM 如何处理加载上来的 java 字节码。如下例：

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
                    Trace.BeginTrace(); // it's important for trace files  
            inst.addTransformer(new ASMAgent());
        }

值得注意的是，addTransformer 实现了对字节码处理的方法的回调。

inst.addTransformer(new ASMAgent());

类 ASMAgent 包含着实现对 java 字节码处理的方法：transform()。它来自于 ClassFileTransformer 接口。为了方便，这里将对 ClassFileTransformer 接口的实现跟 ASMAgent 类放在了一起。其中 classfileBuffer 是类文件加载时的原始的字节码，retVal 则是经过处理后的字节码。

public byte[] transform(ClassLoader loader, String className,Class<?> classBeingRedefined,
                                        ProtectionDomain protectionDomain,byte[] classfileBuffer)
            throws IllegalClassFormatException {
            byte[] retVal = null;

            if(isInstrumentable(className)){
                ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);
                ASMClassAdapter mca = new ASMClassAdapter(cw);
                ClassReader cr = new ClassReader(classfileBuffer);
                cr.accept(mca, 0);
                retVal = cw.toByteArray();
            }else{
                    retVal = classfileBuffer ;
                }

            return retVal;
    }

2.打包代理类

只有合理打包并在 manifest 文件中记录下相应的键值对之后，才能正常执行 premain 的内容。 manifest 文件中需要添加的键值对是：

Premain-Class : biaobiaoqi.asm.ASMAgent

如果对字节码的处理有应用到了其他的类，需要在 manifest 中增加路径。比如使用到了 asm-3.0.jar，则增加如下语句：

Class-Path: asm-3.0.jar

3.执行

执行测试程序时，添加“-javaagent:代理类的 jar[=传入 premain 的参数]”选项。

比如，对于博主的程序，就是

java -javaagent:ASMInstrument.jar -jar XXXX.jar xxxx

其中 ASMInstrument.jar 是第二步中打包的程序， XXX.jar 是需要测试的程序， xxx 是 XXX.jar 执行时可能的命令行参数。

如果只是执行某.class 文件中的类，我们假设是在当前目录下的一个 XXXX 类，则是： java -javaagent:ASMInstrument.jar -cp ./ XXXX xxx

其中 xxx 是可能的命令行参数。