Java SE 6新特性:Instrumentation

简介

　　利用 Java 代码，即 java.lang.instrument 做动态 Instrumentation 是 Java SE 5 的新特性，它把 Java 的 instrument 功能从本地代码中解放出来，使之可以用 Java 代码的方式解决问题。使用 Instrumentation，开发者可以构建一个独立于应用程序的代理程序（Agent），用来监测和协助运行在 JVM 上的程序，甚至能够替换和修改某些类的定义。有了这样的功能，开发者就可以实现更为灵活的运行时虚拟机监控和 Java 类操作了，这样的特性实际上提供了一种虚拟机级别支持的 AOP 实现方式，使得开发者无需对 JDK 做任何升级和改动，就可以实现某些 AOP 的功能了。

　　在 Java SE 6 里面，instrumentation 包被赋予了更强大的功能：启动后的 instrument、本地代码（native code）instrument，以及动态改变 classpath 等等。这些改变，意味着 Java 具有了更强的动态控制、解释能力，它使得 Java 语言变得更加灵活多变。

　　在 Java SE6 里面，最大的改变使运行时的 Instrumentation 成为可能。在 Java SE 5 中，Instrument 要求在运行前利用命令行参数或者系统参数来设置代理类，在实际的运行之中，虚拟机在初始化之时（在绝大多数的 Java 类库被载入之前），instrumentation 的设置已经启动，并在虚拟机中设置了回调函数，检测特定类的加载情况，并完成实际工作。但是在实际的很多的情况下，我们没有办法在虚拟机启动之时就为其设定代理，这样实际上限制了 instrument 的应用。而 Java SE 6 的新特性改变了这种情况，通过 Java Tool API 中的 attach 方式，我们可以很方便地在运行过程中动态地设置加载代理类，以达到 instrumentation 的目的。

　　另外，对 native 的 Instrumentation 也是 Java SE 6 的一个崭新的功能，这使以前无法完成的功能 —— 对 native 接口的 instrumentation 可以在 Java SE 6 中，通过一个或者一系列的 prefix 添加而得以完成。

　　最后，Java SE 6 里的 Instrumentation 也增加了动态添加 class path 的功能。所有这些新的功能，都使得 instrument 包的功能更加丰富，从而使 Java 语言本身更加强大。

　　Instrumentation 的基本功能和用法

　　“java.lang.instrument”包的具体实现，依赖于 JVMTI。JVMTI（Java Virtual Machine Tool Interface）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 是从 Java SE 5 开始引入，整合和取代了以前使用的 Java Virtual Machine Profiler Interface (JVMPI) 和 the Java Virtual Machine Debug Interface (JVMDI)，而在 Java SE 6 中，JVMPI 和 JVMDI 已经消失了。JVMTI 提供了一套”代理”程序机制，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。事实上，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。除开 Instrumentation 功能外，JVMTI 还在虚拟机内存管理，线程控制，方法和变量操作等等方面提供了大量有价值的函数。

　　Instrumentation 的最大作用，就是类定义动态改变和操作。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。

　　在 Java SE 5 当中，开发者可以让 Instrumentation 代理在 main 函数运行前执行。简要说来就是如下几个步骤：

　　编写 premain 函数

　　编写一个 Java 类，包含如下两个方法当中的任何一个

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst); [1]
public static void premain(String agentArgs); [2]

　　其中，[1] 的优先级比 [2] 高，将会被优先执行（[1] 和 [2] 同时存在时，[2] 被忽略）。

　　在这个 premain 函数中，开发者可以进行对类的各种操作。

　　agentArgs 是 premain 函数得到的程序参数，随同 “–javaagent”一起传入。与 main 函数不同的是，这个参数是一个字符串而不是一个字符串数组，如果程序参数有多个，程序将自行解析这个字符串。

　　Inst 是一个 java.lang.instrument.Instrumentation 的实例，由 JVM 自动传入。java.lang.instrument.Instrumentation 是 instrument 包中定义的一个接口，也是这个包的核心部分，集中了其中几乎所有的功能方法，例如类定义的转换和操作等等。

　　jar 文件打包

　　将这个 Java 类打包成一个 jar 文件，并在其中的 manifest 属性当中加入” Premain-Class”来指定步骤 1 当中编写的那个带有 premain 的 Java类。（可能还需要指定其他属性以开启更多功能）

　　运行

　　用如下方式运行带有 Instrumentation 的 Java 程序：

java -javaagent:jar文件的位置[=传入premain的参数]

　　对 Java 类文件的操作，可以理解为对一个 byte 数组的操作（将类文件的二进制字节流读入一个 byte 数组）。开发者可以在“ClassFileTransformer”的 transform 方法当中得到，操作并最终返回一个类的定义（一个 byte 数组）。这方面，Apache 的 BCEL 开源项目提供了强有力的支持，读者可以在参考文章“Java SE 5 特性 Instrumentation 实践”中看到一个 BCEL 和 Instrumentation 结合的例子。具体的字节码操作并非本文的重点，所以，本文中所举的例子，只是采用简单的类文件替换的方式来演示 Instrumentation 的使用。

　　下面，我们通过简单的举例，来说明 Instrumentation 的基本使用方法。

　　首先，我们有一个简单的类，TransClass， 可以通过一个静态方法返回一个整数 1。

public class TransClass { 　public int getNumber() { 　　return 1; 　}　 }

　　我们运行如下类，可以得到输出 ”1“。

public class TestMainInJar { 　public static void main(String[] args) { 　　System.out.println(new TransClass().getNumber()); 　} }

　　然后，我们将 TransClass 的 getNumber 方法改成如下:

public int getNumber() { 　return 2; }

　　再将这个返回 2 的 Java 文件编译成类文件，为了区别开原有的返回 1 的类，我们将返回 2 的这个类文件命名为 TransClass2.class.2。

　　接下来，我们建立一个 Transformer 类：

import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.lang.instrument.ClassFileTransformer; import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException; import java.security.Pro???椠?? tectionDomain; class Transformer implements ClassFileTransformer { 　public static final String classNumberReturns2 = "TransClass.class.2"; 　public static byte[] getBytesFromFile(String fileName) { 　　try { 　　　// precondition 　　　File file = new File(fileName); 　　　InputStream is = new FileInputStream(file); 　　　long length = file.length(); 　　　byte[] bytes = new byte[(int) length]; 　　　// Read in the bytes 　　　int offset = 0; 　　　int numRead = 0; 　　　while (offset <bytes.length && (numRead = is.read(bytes, offset, bytes.length - offset)) >= 0) { 　　　　offset += numRead; 　　　} 　　　if (offset < bytes.length) { 　　　　throw new IOException("Could not completely read file "+ file.getName()); 　　　} 　　　is.close(); 　　　return bytes; 　　} catch (Exception e) { 　　　System.out.println("error occurs in _ClassTransformer!"+ e.getClass().getName()); 　　　return null; 　　} 　} 　public byte[] transform(ClassLoader l, String className, Class<?> c, ProtectionDomain pd, byte[] b) throws IllegalClassFormatException { 　　if (!className.equals("TransClass")) { 　　　return null; 　　} 　　return getBytesFromFile(classNumberReturns2); 　} }

　　这个类实现了 ClassFileTransformer 接口。其中，getBytesFromFile 方法根据文件名读入二进制字符流，而 ClassFileTransformer 当中规定的 transform 方法则完成了类定义的替换转换。

　　最后，我们建立一个 Premain 类，写入 Instrumentation 的代理方法 premain：

public class Premain { 　public static void premain(String agentArgs， Instrumentation inst) 　throws ClassNotFoundException， UnmodifiableClassException { 　　inst.addTransformer(new Transformer()); 　} }

　　可以看出，addTransformer 方法并没有指明要转换哪个类。转换发生在 premain 函数执行之后，main 函数执行之前，这时每装载一个类，transform 方法就会执行一次，看看是否需要转换，所以，在 transform（Transformer 类中）方法中，程序用 className.equals("TransClass") 来判断当前的类是否需要转换。

　　代码完成后，我们将他们打包为 TestInstrument1.jar。返回 1 的那个 TransClass 的类文件保留在 jar 包中，而返回 2 的那个 TransClass.class.2 则放到 jar 的外面。在 manifest 里面加入如下属性来指定 premain 所在的类：

Manifest-Version: 1.0
Premain-Class: Premain

　　在运行这个程序的时候，如果我们用普通方式运行这个 jar 中的???椠?? main 函数，可以得到输出“1”。如果用下列方式运行:

java –javaagent:TestInstrument1.jar –cp TestInstrument1.jar TestMainInJar

　　则会得到输出“2”。

　　当然，程序运行的 main 函数不一定要放在 premain 所在的这个 jar 文件里面，这里只是为了例子程序打包的方便而放在一起的。

　　除开用 addTransformer 的方式，Instrumentation 当中还有另外一个方法“redefineClasses”来实现 premain 当中指定的转换。用法类似，如下：

public class Premain { 　public static void premain(String agentArgs， Instrumentation inst) throws ClassNotFoundException， UnmodifiableClassException { 　　ClassDefinition def = new ClassDefinition(TransClass.class， Transformer .getBytesFromFile(Transformer.classNumberReturns2)); 　　inst.redefineClasses(new ClassDefinition[] { def }); 　　System.out.println("success"); 　} }

　　redefineClasses 的功能比较强大，可以批量转换很多类。