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Java字节码插装的作用是什么？

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Java字节码插装是指在程序运行期间通过修改Java程序的字节码来达到修改程序行为和进行调试的目的。常见的字节码插装技术有Java Agent和AspectJ。

Java字节码插装的作用主要分为以下两个方面：

  1. 类加载时期修改类的字节码，在程序运行时对其进行增强
  2. 在程序运行时，通过对方法的字节码进行修改，实现将自己的代码嵌入到目标方法的中间或结尾位置

常见的应用场景有：

  1. 监控与诊断：通过字节码插装技术来监控Java程序的运行状态，如对内存、线程、方法执行时间等进行监控和分析，从而提高应用的健壮性和性能。例如，可以使用字节码插装实现Java监控工具，或者将统计数据插入目标方法中。

  2. AOP编程：通过字节码插装技术实现面向切面编程（AOP），实现横向扩展和重用目标代码的功能。例如，可以使用AspectJ实现具有交叉功能的切面，从而减少代码重复。

下面给出两个Java字节码插装的示例：

示例一

一个简单的应用场景是：在程序运行过程中，记录方法的执行时间，以便分析哪个方法最耗费时间，并进行优化。使用字节码插装技术可以很方便的实现这一功能。

步骤

  1. 编写Agent

    public class TimeCostAgent {
    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
        instrumentation.addTransformer(new TimeCostTransformer());
    }
}

  2. 实现Transformer

实现一个Transformer，通过在方法的字节码中添加代码记录方法执行耗时。在返回的过程中输出耗时信息。

    public class TimeCostTransformer implements ClassFileTransformer {
        @Override
        public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
                                ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
            if (className.startsWith("com/example/")) {
                ClassReader classReader = new ClassReader(classfileBuffer);
                ClassWriter classWriter = new ClassWriter(classReader, ClassWriter.COMPUTE_FRAMES | ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
                TimeCostClassVisitor classVisitor = new TimeCostClassVisitor(classWriter);
                classReader.accept(classVisitor, ClassReader.EXPAND_FRAMES);

                return classWriter.toByteArray();
            }
            return classfileBuffer;
        }
    }
  1. 实现ClassVisitor

实现一个ClassVisitor，遍历类的方法，在方法字节码的头部和尾部添加代码记录时间，可以使用ASM框架实现。

    public class TimeCostClassVisitor extends ClassVisitor {

        private String className;

        public TimeCostClassVisitor(ClassWriter classWriter) {
            super(Opcodes.ASM5, classWriter);
        }

        @Override
        public void visit(int version, int access, String name, String signature, String superName, String[] interfaces) {
            this.className = name;
            super.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);
        }

        @Override
        public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
            MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
            return new TimeCostMethodVisitor(mv, className, name, desc);
        }
    }
  1. 实现MethodVisitor

实现一个MethodVisitor，通过在头部和尾部添加代码记录时间。在方法返回的时候输出运行时间。

    public class TimeCostMethodVisitor extends MethodVisitor {

        private String className;

        private String methodName;

        public TimeCostMethodVisitor(MethodVisitor methodVisitor, String className, String methodName, String desc) {
            super(Opcodes.ASM5, methodVisitor);
            this.className = className;
            this.methodName = methodName;
        }

        @Override
        public void visitCode() {
            super.visitCode();
            mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
            mv.visitLdcInsn(className + "." + methodName + " start at " + new Date());
            mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
            mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
            mv.visitVarInsn(Opcodes.LSTORE, 1);
        }

        @Override
        public void visitInsn(int opcode) {
            if (opcode >= Opcodes.IRETURN && opcode <= Opcodes.RETURN || opcode == Opcodes.ATHROW) {
                mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
                mv.visitLdcInsn(className + "." + methodName + " end at " + new Date());
                mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
                mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
                mv.visitVarInsn(Opcodes.LSTORE, 3);
                mv.visitVarInsn(Opcodes.LLOAD, 3);
                mv.visitVarInsn(Opcodes.LLOAD, 1);
                mv.visitInsn(Opcodes.LSUB);
                mv.visitVarInsn(Opcodes.LSTORE, 5);
                mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
                mv.visitLdcInsn(className + "." + methodName + " cost " );
                mv.visitVarInsn(Opcodes.LLOAD, 5);
                mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "java/lang/Long", "valueOf", "(J)Ljava/lang/Long;", false);
                mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/Long", "toString", "()Ljava/lang/String;", false);
                mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
            }
            super.visitInsn(opcode);
        }

    }
  1. 实现Agentmain或者premain

在程序运行前通过Java Agent加载Agent，在加载的时候将Transformer添加到Agent中。

    public class TimeCostAgent {

        public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
            instrumentation.addTransformer(new TimeCostTransformer());
        }

        public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
            instrumentation.addTransformer(new TimeCostTransformer());
        }
    }

示例二

字节码插装的另一个应用场景是：使用字节码插装工具修改已有类的行为，达到自己的业务需求。

例如，有一个类：

public class Hello {
    public void sayHello(String name) {
        System.out.println("Hello, " + name + "!");
    }
}

现在需要修改这个类的sayHello方法的行为，增加一个参数age，输出Hello之前判断age是否大于18，如果大于18则输出"Hello, " + name + "!"，否则输出"You are not legal!"

步骤

  1. 编写Agent

    public class HelloAgent {
    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
        instrumentation.addTransformer(new HelloTransformer());
    }
}

  2. 实现Transformer

实现一个Transformer，通过修改方法字节码来修改类行为。使用ASM框架实现。

    public class HelloTransformer implements ClassFileTransformer {

        @Override
        public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
                                ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
            if (className.equals("Hello")) {
                ClassReader classReader = new ClassReader(classfileBuffer);
                ClassWriter classWriter = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES | ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
                classReader.accept(new HelloClassVisitor(classWriter), ClassReader.EXPAND_FRAMES);
                return classWriter.toByteArray();
            }
            return classfileBuffer;
        }
    }
  1. 实现ClassVisitor

实现一个ClassVisitor，遍历类的方法，在方法字节码中添加代码实现自己的业务需求。可以使用ASM框架实现。

    public class HelloClassVisitor extends ClassVisitor {
        public HelloClassVisitor(ClassVisitor classVisitor) {
            super(Opcodes.ASM5, classVisitor);
        }

        @Override
        public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {
            MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
            if (name.equals("sayHello")) {
                mv = new HelloMethodVisitor(mv);
            }
            return mv;
        }
    }
  1. 实现MethodVisitor

实现一个MethodVisitor，在方法字节码中添加代码实现自己的业务需求。增加一个参数age，输出Hello之前判断age是否大于18。

    public class HelloMethodVisitor extends MethodVisitor {
        public HelloMethodVisitor(MethodVisitor methodVisitor) {
            super(Opcodes.ASM5, methodVisitor);
        }

        @Override
        public void visitCode() {
            super.visitCode();
            mv.visitIntInsn(Opcodes.BIPUSH, 18);
            mv.visitVarInsn(Opcodes.ILOAD, 2);
            Label label = new Label();
            mv.visitJumpInsn(Opcodes.IF_ICMPLE, label);
            mv.visitTypeInsn(Opcodes.NEW, "java/lang/StringBuilder");
            mv.visitInsn(Opcodes.DUP);
            mv.visitLdcInsn("Hello, ");
            mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESPECIAL, "java/lang/StringBuilder", "<init>", "(Ljava/lang/String;)V", false);
            mv.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, 1);
            mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitLdcInsn("!");
            mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "append", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;", false);
            mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/StringBuilder", "toString", "()Ljava/lang/String;", false);
            mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;", false);
            mv.visitInsn(Opcodes.ARETURN);
            mv.visitLabel(label);
        }
    }
  1. 实现Agentmain或者premain

在程序运行前通过Java Agent加载Agent，在加载的时候将Transformer添加到Agent中。

    public class HelloAgent {
        public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
            instrumentation.addTransformer(new HelloTransformer());
        }

        public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
            instrumentation.addTransformer(new HelloTransformer());
        }
    }

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