asmmonitor学习

本文主要是分析tomcat应用监控插件——asmMonitor的实现原理和配置。asmMonitor部署在被监控的应用服务器（tomcat）下，监控应用并采集监控项数据，向服务器端上报。
详细功能如下：

  • 使用javaagent来指定字节码注入的jar包
  • 使用asm注入方式无侵入地监控应用系统的方法调用
  • 使用jmx监控jvm内存和线程
  • 使用druid采集sql执行情况
  • 使用thrift协议上报监控数据到服务器端
  • 使用servlet容器监听器，监听tomcat启动
  • 使用侵入式的springmvc拦截器，拦截http请求

配置

配置javaagent

配置JVM启动参数javaagent，来指定代理类（或jar包），在类加载时做字节码修改（注入）。
在Unix/Linux，修改<tomcat_home>/bin/catalina.sh
在Windows，修改<tomcat_home>/bin/catalina.bat
添加如下配置：

export JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -javaagent:/full/path/to/asmMonitor-1.0.0.jar"

配置ServletContextListener监听器

ServletContextListener监听器是在tomcat启动时，监听初始化servlet容器的事件。
每个部署在tomcat的应用，都有个web.xml文件，在需要监控的在web.xml文件添加：

    <listener>
        <listener-class>com.ecar.asmmonitor.listener.SocketListener</listener-class>
    </listener>
配置HandlerInterceptorAdapter拦截器

HandlerInterceptorAdapter拦截器，是用于拦截springmvc中所有http请求。
我们使用com.ecar.asmmonitor.interceptor.MonitorInterceptor拦截器，监控应用的http接口请求和响应时间，上报服务器端。
拦截器配置一般在spring相关的bean配置文件，配置如下：

<!--配置拦截器, 多个拦截器,顺序执行 -->  
<mvc:interceptors>    
    <mvc:interceptor>    
        <!-- 匹配的是url路径， 如果不配置或/**,将拦截所有的Controller -->  
        <mvc:mapping path="/**" />  
        <bean class="com.ecar.asmmonitor.interceptor.MonitorInterceptor"></bean>    
    </mvc:interceptor>  
    <!-- 当设置多个拦截器时，先按顺序调用preHandle方法，然后逆序调用每个拦截器的postHandle和afterCompletion方法 -->  
</mvc:interceptors>

注入原理

instrument代理类

代理：是独立于应用程序之外的代理(agent)程序，agent程序通过增强字节码动态修改或者新增类，利用这样特性可以设计出更通用的监控、框架、中间件程序。
JVMTI：这里使用的注入方式是instrument代理类，实际上就是使用jvm暴露的一些接口（JVMTI全称JVM Tool Interface），这些接口是基于事件驱动的，JVM每执行到一定的逻辑就会调用一些事件的回调接口（如果有的话），这些接口可以供开发者扩展自己的逻辑。
instrument：就是一个属于JVMTIAgent类型的JVMTI动态库，这个代理类是在某个类的字节码文件读取之后、类定义之前修改相关的字节码，从而使创建的class对象是我们修改之后的字节码内容。

instrument agent有两种加载字节码的方式：

  • Agent_OnLoad ：启动时加载，在启动jvm时加载
  • Agent_OnAttach ：运行时加载，在运行jvm时加载

无论是启动时还是运行时加载 instrument agent ，主要都是监听 ClassFileLoadHook 事件, 并最终调用 premain 方法 / agentmain 方法ClassFileLoadHook 这个事件 发生在读取字节码文件之后，
这样就可以对原来的字节码做修改。

启动时加载
  1. 编写代理类，实现premain 方法
public class AsmMain {
    public static void premain(String args, Instrumentation inst) {
        inst.addTransformer(new MonitorTransformer());
    }
}
  1. 打包成jar包，在jar包的META-INF/MANIFEST.MF文件指定代理类
Manifest-Version: 1.0
Premain-Class: com.ecar.asmmonitor.AsmMain
Can-Redefine-Classes: true
  1. 配置jvm启动参数javaagent参数，指定代理jar包
-javaagent:/full/path/to/asmMonitor-1.0.0.jar
运行时加载
  1. 编写代理类，实现agentmain方法
public class AsmMain {
    public static void agentmain(String args, Instrumentation inst) {
        inst.addTransformer(new MonitorTransformer());
    }
}
  1. 打包成jar包，在jar包的META-INF/MANIFEST.MF文件指定代理类
Manifest-Version: 1.0
Agent-Class: com.ecar.asmmonitor.AsmMain
Can-Redefine-Classes: true
  1. 借助Attach Tools API的attach方式，通过传入进程pid加载代理类
import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;
public class RunAttach
{
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        // args[0]传入的是某个jvm进程的pid
        String targetPid = args[0];
 
        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(targetPid);
 
        vm.loadAgent("F:/workspaces/j2se练习代码/jvm_high_api/agentmain.jar",
                "toagent");
    }
}
字节码转换器类（ClassFileTransformer）

真实处理class字节码的类，实现ClassFileTransformer接口的transform方法，修改字节码，下面是实例：

        //字节码转化器类
    public class PrintTimeTransformer implements ClassFileTransformer {

        //实现字节码转化接口，一个小技巧建议实现接口方法时写@Override，方便重构
        //loader:定义要转换的类加载器，如果是引导加载器，则为 null(在这个小demo暂时还用不到)
        //className:完全限定类内部形式的类名称和中定义的接口名称，例如"java.lang.instrument.ClassFileTransformer"
        //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）
        //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。
        @Override public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer)
                throws IllegalClassFormatException {
            //简化测试demo，直接写待修改的类(com/blueware/agent/TestTime)
            if (className != null && className.equals("com/blueware/agent/TestTime")) {
                //读取类的字节码流
                ClassReader reader = new ClassReader(classfileBuffer);
                //创建操作字节流值对象，ClassWriter.COMPUTE_MAXS:表示自动计算栈大小
                ClassWriter writer = new ClassWriter(reader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
                //接受一个ClassVisitor子类进行字节码修改
                reader.accept(new TimeClassVisitor(writer, className), 8);
                //返回修改后的字节码流
                return writer.toByteArray();
            }
            return null;
        }
    }
ASM字节码操控框架

前面的javaagent只是用来监控字节码读取的事件，找准注入字节码的时机，真正的字节码注入操作，还是需要专业的包。
ASM：是一个 Java 字节码操控框架，它能被用来动态生成类或者增强既有类的功能。ASM 可以直接产生二进制 class 文件，也可以在类被加载入 Java 虚拟机之前动态改变类行为。Java class 被存储在严格格式定义的 .class 文件里，这些类文件拥有足够的元数据来解析类中的所有元素：类名称、方法、属性以及 Java 字节码（指令）。ASM 从类文件中读入信息后，能够改变类行为，分析类信息，甚至能够根据用户要求生成新类。

包括如下类：

  • 类读取类，ClassReader
  • 类写入类，ClassWriter
  • 类访问类，ClassVisitor
  • ClassVisitor实现类，自定义字节码注入逻辑，覆盖里面的visitMethod方法扫描到每个方法时都会进入，例如下面的TimeClassVisitor类
  • 方法访问者类，MethodVisitor
  • MethodVisitor实现类，例如下面的AdviceAdapter类，自定义在方法的前后注入代码。
    TimeClassVisitor
    //定义扫描待修改class的visitor，visitor就是访问者模式
    public class TimeClassVisitor extends ClassVisitor {
        private String className;

        public TimeClassVisitor(ClassVisitor cv, String className) {
            super(Opcodes.ASM5, cv);
            this.className = className;
        }

        //扫描到每个方法都会进入，参数详情下一篇博文详细分析
        @Override public MethodVisitor visitMethod(int access, final String name, final String desc, String signature, String[] exceptions) {
            MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
            final String key = className + name + desc;
            //过来待修改类的构造函数
            if (!name.equals("<init>") && mv != null) {
                mv = new AdviceAdapter(Opcodes.ASM5, mv, access, name, desc) {
                    //方法进入时获取开始时间
                    @Override public void onMethodEnter() {
                        //相当于com.blueware.agent.TimeUtil.setStartTime("key");
                        this.visitLdcInsn(key);
                        this.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "com/blueware/agent/TimeUtil", "setStartTime", "(Ljava/lang/String;)V", false);
                    }

                    //方法退出时获取结束时间并计算执行时间
                    @Override public void onMethodExit(int opcode) {
                        //相当于com.blueware.agent.TimeUtil.setEndTime("key");
                        this.visitLdcInsn(key);
                        this.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "com/blueware/agent/TimeUtil", "setEndTime", "(Ljava/lang/String;)V", false);
                        //向栈中压入类名称
                        this.visitLdcInsn(className);
                        //向栈中压入方法名
                        this.visitLdcInsn(name);
                        //向栈中压入方法描述
                        this.visitLdcInsn(desc);
                        //相当于com.blueware.agent.TimeUtil.getExclusiveTime("com/blueware/agent/TestTime","testTime");
                        this.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "com/blueware/agent/TimeUtil", "getExclusiveTime", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)J", false);
                    }
                };
            }
            return mv;
        }
    }
  public class TimeUtil {
        private static Map<String, Long> startTimes = new HashMap<String, Long>();
        private static Map<String, Long> endTimes   = new HashMap<String, Long>();

        private TimeUtil() {
        }

        public static long getStartTime(String key) {
            return startTimes.get(key);
        }

        public static void setStartTime(String key) {
            startTimes.put(key, System.currentTimeMillis());
        }

        public static long getEndTime(String key) {
            return endTimes.get(key);
        }

        public static void setEndTime(String key) {
            endTimes.put(key, System.currentTimeMillis());
        }

        public static long getExclusiveTime(String className, String methodName, String methodDesc) {
            String key = className + methodName + methodDesc;
            long exclusive = getEndTime(key) - getStartTime(key);
            System.out.println(className.replace("/", ".") + "." + methodName + " exclusive:" + exclusive);
            return exclusive;
        }
    }

监控细节

上报细节

tomcat启动，初始化servlet容器时，会触发SocketListener监听器，开启下列监听：

1.采集Tomcat的启动时间数据，每次启动tomcat时上报一次
2.采集心跳数据，每30秒上报一次心跳
3.采集JVM和线程状态的数据（使用JMX），每60秒上报一次数据
4.上报应用接口的数据
5.上报警告的数据
6.采集SQL的数据，每60秒上报一次数据
7.启动上报线程

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