Java Instrumentation API 是 Java SE 6 引入的一个能够在程序运行期间修改和监视程序运行状态的工具包。它允许实时更改字节码而无需重新编译和重新部署代码，可以用于监视应用程序性能，同时还可以对运行时代码进行微调和调试。下面是 Java Instrumentation API 的完整使用攻略。
一、基础概念
在介绍具体的使用方法之前，我们先来了解一下一些基础概念。
1. Agent
Agent 是 Instrumentation API 的核心之一。它是一个独立的 Java 程序，它能够在 JVM 启动时加载到 JVM 中，从而可以控制和监视 JVM 的运行状态。一个 Agent 必须包含一个实现了 premain 方法的 Java 类。
2. Transformer
Transformer 是 Instrumentation API 另一个核心概念。它可以在类被 JVM 加载时对类的字节码进行转换。Transformer 必须实现一个类为 transform 的回调方法。
3. Instrumentation
Instrumentation 接口是 JDK 内置的一个类。它具有控制 JVM 的能力，可以在 JVM 运行时对字节码进行操作。
二、使用步骤
下面是使用 Java Instrumentation API 的步骤：
1. 创建一个 Agent
我们需要创建一个 Agent 类，它包含一个 premain 方法。premain 方法会在 JVM 启动时被调用，我们可以在这个方法中执行我们想要的操作。例如，下面的代码演示了如何输出启动时信息。
public class MyAgent {
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
System.out.println("MyAgent is running.");
}
}
在这个例子中，我们只是简单地输出了一条启动时信息。实际上，我们可以在 premain 方法中完成一些更复杂和有用的操作，例如，JVM 性能监控、动态字节码生成等。
2. 编写一个 Transformer
Transformer 是 Instrumentation API 的核心之一，通过它我们可以实现对加载类字节码的操作。下面给出的是一个简单的 Transformer 的实现，它仅仅将每个类的字节码输出到控制台。
public class MyTransformer implements ClassFileTransformer {
public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) {
System.out.println("Loading class: " + className);
return classfileBuffer;
}
}
3. 注册 Agent 和 Transformer
完成了 Agent 和 Transformer 的编写之后，需要将它们注册到 JVM 中。具体来说，需要在 MANIFEST.MF 文件中指定 Agent 类，并在启动 JVM 时使用 -javaagent 参数来指定 Agent 的 jar 包路径。例如：
java -javaagent:MyAgent.jar -jar myapp.jar
4. 测试
最后，我们来一个测试，看看我们的 Agent 和 Transformer 是否工作正常。我们把上面的代码打包成 jar 包，并执行上面的命令来启动我们的应用程序。观察控制台输出，可以看到 Agent 的 premain 方法被正常调用，并且 Transformer 的 transform 方法也成功地对每个类进行了转换。
三、示例
下面给出两个示例来演示如何使用 Java Instrumentation API。
示例1：对所有的类增加计时器
下面的示例是一个简单的 Agent，它可以自动对所有通过 JVM 加载的类进行计时。计时器在类的构造函数中开始计时，在 finalize 方法中停止计时，并输出类的加载时间。
public class TimingAgent {
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
inst.addTransformer(new TimingTransformer());
}
}
class TimingTransformer implements ClassFileTransformer {
public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) {
ClassReader cr = new ClassReader(classfileBuffer);
ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
ClassVisitor cv = new TimingClassAdapter(cw, className);
cr.accept(cv, ClassReader.EXPAND_FRAMES);
return cw.toByteArray();
}
}
class TimingClassAdapter extends ClassVisitor {
private String className;
public TimingClassAdapter(ClassVisitor cv, String className) {
super(Opcodes.ASM5, cv);
this.className = className;
}
@Override
public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature,
String[] exceptions) {
MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
if (mv != null) {
mv = new TimingMethodAdapter(mv, className, name);
}
return mv;
}
}
class TimingMethodAdapter extends MethodVisitor {
private String className;
private String methodName;
public TimingMethodAdapter(MethodVisitor mv, String className, String methodName) {
super(Opcodes.ASM5, mv);
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("Timing method: " + className + "." + methodName);
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
mv.visitFieldInsn(Opcodes.PUTSTATIC, className, "startTime", "J");
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println",
"(Ljava/lang/String;)V", false);
}
@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("Timing method: " + className + "." + methodName);
mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, className, "startTime", "J");
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
mv.visitInsn(Opcodes.LSUB);
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/lang/Long", "valueOf",
"(J)Ljava/lang/Long;", false);
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println",
"(Ljava/lang/Object;)V", false);
}
super.visitInsn(opcode);
}
}
我们将上面的代码打包成 jar 文件。在运行程序的时候，添加 -javaagent:timing-agent.jar 选项。
示例2：运行时跟踪方法耗时
下面是一个示例，它可以动态地跟踪代码中每个方法的执行时间。它显示了如何在运行时检测并记录方法的开始时间和结束时间。
public class MethodTimingAgent {
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
inst.addTransformer(new TimingTransformer());
}
}
class TimingTransformer implements ClassFileTransformer {
public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) {
ClassReader cr = new ClassReader(classfileBuffer);
ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
ClassVisitor cv = new TimingClassAdapter(cw, className);
cr.accept(cv, ClassReader.EXPAND_FRAMES);
return cw.toByteArray();
}
}
class TimingClassAdapter extends ClassVisitor {
private String className;
public TimingClassAdapter(ClassVisitor cv, String className) {
super(Opcodes.ASM5, cv);
this.className = className;
}
@Override
public MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature,
String[] exceptions) {
MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
if (mv != null) {
mv = new TimingMethodAdapter(mv, className, name + desc);
}
return mv;
}
}
class TimingMethodAdapter extends MethodVisitor {
private static final String ENTER_METHOD = "enterMethod";
private static final String EXIT_METHOD = "exitMethod";
private String className;
private String methodName;
public TimingMethodAdapter(MethodVisitor mv, String className, String methodName) {
super(Opcodes.ASM5, mv);
this.className = className;
this.methodName = methodName;
}
@Override
public void visitCode() {
super.visitCode();
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, className, ENTER_METHOD, "()V", false);
}
@Override
public void visitInsn(int opcode) {
if ((opcode >= Opcodes.IRETURN && opcode <= Opcodes.RETURN) || opcode == Opcodes.ATHROW) {
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, className, EXIT_METHOD, "()V", false);
}
super.visitInsn(opcode);
}
@Override
public void visitMaxs(int maxStack, int maxLocals) {
super.visitMaxs(maxStack + 4, maxLocals);
}
@Override
public void visitEnd() {
super.visitEnd();
MethodVisitor mv = cv.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC + Opcodes.ACC_STATIC, ENTER_METHOD,
"()V", null, null);
mv.visitCode();
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
mv.visitFieldInsn(Opcodes.PUTSTATIC, className, "startTime", "J");
mv.visitInsn(Opcodes.RETURN);
mv.visitMaxs(0, 0);
mv.visitEnd();
mv = cv.visitMethod(Opcodes.ACC_PUBLIC + Opcodes.ACC_STATIC, EXIT_METHOD, "()V", null, null);
mv.visitCode();
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J", false);
mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, className, "startTime", "J");
mv.visitInsn(Opcodes.LSUB);
mv.visitFieldInsn(Opcodes.PUTSTATIC, className, "elapsedTime", "J");
mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
mv.visitLdcInsn("Method " + methodName + " took " + '\"' + "\" + elapsedTime + \" nanoseconds.\"");
mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
mv.visitInsn(Opcodes.RETURN);
mv.visitMaxs(0, 0);
mv.visitEnd();
}
}
我们将上面的代码打包成 jar 文件。在运行程序的时候，添加 -javaagent:method-timing-agent.jar 选项。
通过上面的示例可以看出，Java Instrumentation API 可以作为一个非常强大的工具，让Java程序在运行时拥有更大的灵活性和控制能力，通过对Java字节码的修改能够对JVM进行优化和性能监控，是Java编程不可或缺的重要工具之一。
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