一、前言
所谓Java Agent，其功能都是基于java.lang.instrument中的类去完成。Instrument提供了允许Java编程语言代理检测JVM上运行的程序的功能，而检测的机制就是修改字节码。Instrument位于rt.jar中，java.lang.instrument包下，使用Instrument可以用来检测或协助运行在 JVM中的程序；甚至对已加载class进行替换修改，这也就是我们常说的热部署、热加载。一句话总结Instrument：检测类的加载行为对其进行干扰（修改替换）
Instrument的实现基于JVMTI(Java Virtual Machine Tool Interface)的，所谓JVMTI就是一套由 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基于事件驱动，简单点讲就是在JVM运行层面添加一些钩子可以供开发者去自定义实现相关功能。
有哪些开源软件使用了该技术?
https://github.com/alibaba/arthas
https://github.com/apache/skywalking
等等。。。
二、相关API初探
2.1 Instrumentation
java.lang.instrument包下关键的类为：java.lang.instrument.Instrumentation。该接口提供一系列替换转化class定义的方法。接下来看一下该接口的主要方法进行以下说明：
addTransformer
用于注册transformer。除了任何已注册的转换器所依赖的类的定义外，所有未来的类定义都将可以被transformer看到。当类被加载或被重新定义（redefine，可以是下方的redefineClasses触发）时，transformer将被调用。如果canRetransform为true，则表示当它们被retransform时（通过下方的retransformClasses），该transformer也会被调用。addTransformer共有如下两种重载方法：
void addTransformer(ClassFileTransformer transformer,boolean canRetransform)
void addTransformer(ClassFileTransformer transformer)
redefineClasses
void redefineClasses(ClassDefinition... definitions)
throws ClassNotFoundException,
UnmodifiableClassException
此方法用于替换不引用现有类文件字节的类定义，就像从源代码重新编译以进行修复并继续调试时所做的那样。该方法对一系列ClassDefinition进行操作，以便允许同时对多个类进行相互依赖的更改(类a的重新定义可能需要类B的重新定义)。假如在redifine时，目标类正在执行中，那么执行中的行为还是按照原来字节码的定义执行，当对该类行为发起新的调用时，将会使用redefine之后的新行为。
注意：此redefine不会触发类的初始化行为
当然redefine时，并不是随心所欲，我们可以重新定义方法体、常量池、属性、但是不可以添加、移除、重命名方法和方法和入参，不能更改方法签名或更改继承。当然，在未来的版本中，这些限制可能不复存在。
在转换之前，不会检查、验证和安装类文件字节，如果结果字节出现错误，此方法将抛出异常。而抛出异常将不会有类被重新定义
retransformClasses
针对JVM已经加载的类进行转换，当类初始加载或重新定义类（redefineClass）时，可以被注册的ClassFileTransformer进行转化；但是针对那些已经加载完毕之后的类不会触发这个transform行为进而导致这些类无法被我们agent进行监听，所以可以通过retransformClasses触发一个事件，而这个事件可以被ClassFileTransformer捕获进而对这些类进行transform。
此方法将针对每一个通过addTransformer注册的且canRetransform是true的，进行调用其transform方法，转换后的类文件字节被安装成为类的新定义，从而拥有新的行为。
redefineClasses和retransformClasses区别
通过上面的定义可以看得出，貌似redefineClasses是在为JVM启动前未加载完成的class服务，而retransformClasses是针对JVM启动之后，那些已经完成加载初始化的class服务。
2.2 ClassFileTransformer
在我们的agent中，需要提供该接口的实现，以便在JVM定义类之前转换class字节码文件，该接口中就提供了一个方法,此方法的实现可以转换提供的类文件并返回一个新的替换类文件：
byte[] transform(ClassLoader loader,
String className,
Class<?> classBeingRedefined,
ProtectionDomain protectionDomain,
byte[] classfileBuffer)
throws IllegalClassFormatException
三、Java Agent的两种实现
java agent其实就是一个jar文件，通过在该jar文件中的manifest中通过相关属性指定要加载的agent实现类。对于agent的实现有两种方式：一种实现是通过命令行方式在JVM启动之前进行代理设置；另一种则是在JVM启动之后通过attach机制去设置。
JVM启动前的agent实现
Instrument是JDK5开始引入，在JDK5中Instrument要求在目标JVM程序运行之前通过命令行参数javaagent来设置代理类，在JVM初始化之前，Instrument启动在JVM中设置回调函数，检测特点类加载情况完成实际增强工作。
-javaagent:jarpath[=options]
这里jarpath就是我们的agent jar的路径，agent jar必须符合jar文件规范。代理JAR文件的manifest（META-INF/MANIFEST.MF）必须包含属性Premain-Class。此属性的值是代理类的类名。代理类必须实现一个公共静态premain方法，该方法原则上与主应用程序入口点类似。在JVM初始化之后，将按照指定代理的顺序调用每个主方法（premain），然后将调用实际应用程序的主方法(main)。每个premain方法必须按照启动顺序返回。
premain方法可以有如下两种重载方法，如果两者同时存在，则优先调用多参数的方法：
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst);
public static void premain(String agentArgs);
我们的代理类将被SystemClassLoader进行加载，premain方法将在和我们的主应用程序main方法同等的安全和类加载器规则下执行，主应用程序main方法可以干的，premain都可以去干。如果我们的agent无法被解析，这包括agent class无法被加载、或agent class没有premain方法、agent class的方法出现异常等都会导致JVM启动终止！
JVM启动后的agent实现
JDK6开始为Instrument增加很多强大的功能，其中要指出的就是在JDK5中如果想要完成增强处理，必须是在目标JVM程序启动前通过命令行指定Instrument,然后在实际应用中，目标程序可能是已经运行中，针对这种场景下如果要保证 JVM不重启得以完成我们工作，这不是我们想要的，于是JDK6中Instrument提供了在JVM启动之后指定设置java agent达到Instrument的目的。
该实现需要确保以下3点：
1）agent jar中manifest必须包含属性Agent-Class，其值为agent类名。
2）agent类中必须包含公有静态方法agentmain
3）system classload必须支持可以将agent jar添加到system class path。
agent jar将被添加到system class path，这个路径就是SystemClassLoader加载主应用程序的地方，agent class被加载后，JVM将会尝试执行它的agentmain方法，同样的，如果以下两个方法都存在，则优先执行多参数方法：
public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst);
public static void agentmain(String agentArgs);
看到这里，结合JVM前启动前agent的实现和JVM启动后agent的实现，可能想问是否可以在一个agent class中同时包含premain、agentmain呢，答案是可以的，只不过在JVM启动前不会执行agentmain,同样的，JVM启动后不会执行premain。
如果我们的agent无法启动（agent class无法被加载、agentmain出异常、agent class没有合法的agentmain方法等），JVM将不会终止！
四、 Manifest
4.1 属性构成
通过上述我们知道，有一个关键文件META-INF/MANIFEST.MF,我们需要在这个文件中指定agent class，结下来看下相关属性：
| 属性名称 | 描述 |
|---|---|
| Premain-Class | 这个属性用来指定JVM启动时的代理agent,它必须包含premain方法，如果这个属性不存在，则JVM将终止。注意是类的全路径 |
| Agent-Class | 如果agent实现支持在JVM启动后某个时间启动代理的机制，那么该属性则指定该代理类。如果该属性不存在，代理将不会启动。 |
| Boot-Class-Path | 该属性可以指定BootStrapClassLoad加载的路径(路径需要带上指定哪个文件)，多个路径用空格分开 |
| Can-Redefine-Classes | 可选值就是true false,大小写无所谓，默认false。该属性用来指定该agent是否针对redefineClass产生作用 |
| Can-Retransform-Classes | 可选值就是true false,大小写无所谓，默认false。该属性用来指定该agent是否针对retransformClass产生作用 |
4.2 文件生成方式
有两种方式生成此文件：
1）我们手动创建此文件
2）通过maven插件
<build>
<plugins>
<plugin>
<groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
<artifactId>maven-jar-plugin</artifactId>
<version>3.1.0</version>
<configuration>
<archive>
<!--自动添加META-INF/MANIFEST.MF -->
<manifest>
<addClasspath>true</addClasspath>
</manifest>
<manifestEntries>
<Premain-Class>xxx</Premain-Class>
<Agent-Class>xxx</Agent-Class>
<Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
<Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
</manifestEntries>
</archive>
</configuration>
</plugin>
</plugins>
</build>
四、实战
接下来通过实战来近距离感受下java agent的魅力。本次实战的目标是替换目标类的行为。
4.1 准备工作
这里初始化一个springboot工程，随便搞一个简单的controller如下：
@RestController
public class MainController {
@RequestMapping("/index")
public String index(){
return "hello world";
}
}
那么当我访问这个地址时，浏览器将会展现hello world字样，如下：
接下来我们将通过java agent来改变这个controller的行为。
4.2 JVM启动前替换实现
4.2.1 定义ClassFileTransformer实现
在我们自定义的ClassFileTransformer中，通过javassist动态修改字节码，来更改controller输出的内容
public class MyClassFileTransformer implements ClassFileTransformer
{
@SneakyThrows
@Override
public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
if (className.contains("MainController")){
final ClassPool classPool = ClassPool.getDefault();
final CtClass clazz = classPool.get("com.cf.springboot.controller.MainController");
CtMethod convertToAbbr = clazz.getDeclaredMethod("index");
String methodBody = "return \"hello world【version2]\";";
convertToAbbr.setBody(methodBody);
// 返回字节码，并且detachCtClass对象
byte[] byteCode = clazz.toBytecode();
//detach的意思是将内存中曾经被javassist加载过的Date对象移除，如果下次有需要在内存中找不到会重新走javassist加载
clazz.detach();
return byteCode;
}
// 如果返回null则字节码不会被修改
return null;
}
}
4.2.1 定义agent class实现
public class BeforeJvmAgent {
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
System.out.println("premain invoke!");
inst.addTransformer(new MyClassFileTransformer());
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println("main invoke!");
}
}
4.2.2 打包，设置命令行参数启动spring boot
启动后，观察控制台输出
可以看到premain最新被执行了，这时候访问下试试
可以看到，我们的修改已经生效～
4.3 JVM启动后替换实现
在这里，ClassFileTransformer的实现我们还是复用4.2节中的，所以这里只需要看新实现。此刻开始，我们的应用属于一直启动之中了，我们要做的就是真正意义上的热替换。
4.3.1 agent class实现
public class AfterJvmAgent {
public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst)
throws ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException {
inst.addTransformer(new MyClassFileTransformer(), true);
// 关键点
inst.retransformClasses(Class.forName("com.cf.springboot.controller.MainController",false,ClassLoader.getSystemClassLoader()));
}
public static void main(String[] args) {
}
}
这里关键的一点就是在我们的agentmain中手动retransform一下我们需要增强的类。
4.3.2 启动应用程序，并attach
这里我们需要获取目标JVM程序，并且进行attach加载我们的agent
public static void main(String[] args) throws Exception{
List<VirtualMachineDescriptor> list = VirtualMachine.list();
for (VirtualMachineDescriptor vmd : list) {
//如果虚拟机的名称为 xxx 则 该虚拟机为目标虚拟机，获取该虚拟机的 pid
//然后加载 agent.jar 发送给该虚拟机
System.out.println(vmd.displayName());
if (vmd.displayName().equals("com.cf.springboot.Application")) {
VirtualMachine virtualMachine = VirtualMachine.attach(vmd.id());
virtualMachine.loadAgent("/Users/zhuyu/code/spring-boot/after_jvm_agent/target/after_jvm_agent-0.0.1-SNAPSHOT.jar");
virtualMachine.detach();
}
}
}
这个时候看再访问一下我们的请求：
完美！
五、参考
Java程序员必知：深入理解Instrument
javaagent使用指南
☆基于Java Instrument的Agent实现
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/instrument/package-summary.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/135872794?ivk_sa=1024320u
