如何把Java代码玩出花？JVM Sandbox入门教程与原理浅谈

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在日常业务代码开发中，我们经常接触到AOP，比如熟知的Spring AOP。我们用它来做业务切面，比如登录校验，日志记录，性能监控，全局过滤器等。但Spring AOP有一个局限性，并不是所有的类都托管在 Spring 容器中，例如很多中间件代码、三方包代码，Java原生代码，都不能被Spring AOP代理到。如此一来，一旦你想要做的切面逻辑并不属于Spring的管辖范围，或者你想实现脱离Spring限制的切面功能，就无法实现了。

那对于Java后端应用，有没有一种更为通用的AOP方式呢？答案是有的，Java自身提供了JVM TI，Instrumentation等功能，允许使用者以通过一系列API完成对JVM的复杂控制。自此衍生出了很多著名的框架，比如Btrace，Arthas等等，帮助开发者们实现更多更复杂的Java功能。

JVM Sandbox也是其中的一员。当然，不同框架的设计目的和使命是不一样的，JVM-Sandbox的设计目的是实现一种在不重启、不侵入目标JVM应用情况下的AOP解决方案。

是不是看到这里还是不清楚我在讲什么？别急，我举几个典型的JVM-Sandbox应用场景：

  • 流量回放：如何录制线上应用每次接口请求的入参和出参？改动应用代码固然可以，但成本太大，通过JVM-Sandbox，可以直接在不修改代码的情况下，直接抓取接口的出入参。
  • 安全漏洞热修复：假设某个三方包（例如出名的fastjson）又出现了漏洞，集团内那么多应用，一个个发布新版本修复，漏洞已经造成了大量破坏。通过JVM-Sandbox，直接修改替换有漏洞的代码，及时止损。
  • 接口故障模拟：想要模拟某个接口超时5s后返回false的情况，JVM-Sandbox很轻松就能实现。
  • 故障定位：像Arthas类似的功能。
  • 接口限流：动态对指定的接口做限流。
  • 日志打印
  • ...

可以看到，借助JVM-Sandbox，你可以实现很多之前在业务代码中做不了的事，大大拓展了可操作的范围。

本文围绕JVM SandBox展开，主要介绍如下内容：

  • JVM SandBox诞生背景
  • JVM SandBox架构设计
  • JVM SandBox代码实战
  • JVM SandBox底层技术
  • 总结与展望

JVM Sandbox诞生背景

JVM Sandbox诞生的技术背景在引言中已经赘述完毕，下面是作者开发该框架的一些业务背景，以下描述引用自文章:

JVM SandBox 是阿里开源的一款 JVM 平台非侵入式运行期 AOP 解决方案，本质上是一种 AOP 落地形式。那么可能有同学会问：已有成熟的 Spring AOP 解决方案，阿里巴巴为什么还要“重复造轮子”？这个问题要回到 JVM SandBox 诞生的背景中来回答。在 2016 年中，天猫双十一催动了阿里巴巴内部大量业务系统的改动，恰逢徐冬晨（阿里巴巴测试开发专家）所在的团队调整，测试资源保障严重不足，迫使他们必须考虑更精准、更便捷的老业务测试回归验证方案。开发团队面临的是新接手的老系统，老的业务代码架构难以满足可测性的要求，很多现有测试框架也无法应用到老的业务系统架构中，于是需要新的测试思路和测试框架。

为什么不采用 Spring AOP 方案呢？Spring AOP 方案的痛点在于不是所有业务代码都托管在 Spring 容器中，而且更底层的中间件代码、三方包代码无法纳入到回归测试范围，更糟糕的是测试框架会引入自身所依赖的类库，经常与业务代码的类库产生冲突，因此，JVM SandBox 应运而生。

JVM Sandbox整体架构

本章节不详细讲述JVM SandBox的所有架构设计，只讲其中几个最重要的特性。详细的架构设计可以看原框架代码仓库的Wiki。

类隔离

很多框架通过破坏双亲委派（我更愿意称之为直系亲属委派）来实现类隔离，SandBox也不例外。它通过自定义的SandboxClassLoader破坏了双亲委派的约定，实现了几个隔离特性：

  • 和目标应用的类隔离：不用担心加载沙箱会引起原应用的类污染、冲突。
  • 模块之间类隔离：做到模块与模块之间、模块和沙箱之间、模块和应用之间互不干扰。

如何把Java代码玩出花？JVM Sandbox入门教程与原理浅谈

无侵入AOP与事件驱动

JVM-SANDBOX属于基于Instrumentation的动态编织类的AOP框架，通过精心构造了字节码增强逻辑，使得沙箱的模块能在不违反JDK约束情况下实现对目标应用方法的无侵入运行时AOP拦截。

如何把Java代码玩出花？JVM Sandbox入门教程与原理浅谈

从上图中，可以看到一个方法的整个执行周期都被代码“加强”了，能够带来的好处就是你在使用JVM SandBox只需要对于方法的事件进行处理。

// BEFORE
try {

   /*
    * do something...
    */

    // RETURN
    return;

} catch (Throwable cause) {
    // THROWS
}

在沙箱的世界观中，任何一个Java方法的调用都可以分解为BEFORE、RETURN和THROWS三个环节，由此在三个环节上引申出对应环节的事件探测和流程控制机制。

基于BEFORE、RETURN和THROWS三个环节事件分离，沙箱的模块可以完成很多类AOP的操作。

  1. 可以感知和改变方法调用的入参
  2. 可以感知和改变方法调用返回值和抛出的异常
  3. 可以改变方法执行的流程
    • 在方法体执行之前直接返回自定义结果对象，原有方法代码将不会被执行
    • 在方法体返回之前重新构造新的结果对象，甚至可以改变为抛出异常
    • 在方法体抛出异常之后重新抛出新的异常，甚至可以改变为正常返回

一切都是事件驱动的，这一点你可能很迷糊，但是在下文的实战环节中，可以帮助你理解。

JVM Sandbox代码实战

我将实战章节提前到这里，目的是方便大家快速了解使用JVM SandBox开发是一件多么舒服的事情（相比于自己使用字节码替换等工具）。

使用版本：JVM-Sandbox 1.2.0

官方源码：https://github.com/alibaba/jvm-sandbox

我们来实现一个小工具，在日常工作中，我们总会遇到一些巨大的Spring工程，里面有茫茫多的Bean和业务代码，启动一个工程可能需要5分钟甚至更久，严重拖累开发效率。

我们尝试使用JVM Sandbox来开发一个工具，对应用的Spring Bean启动耗时进行一次统计。这样能一目了然的发现工程启动慢的主要原因，避免去盲人摸象的优化。

最终效果如图：

如何把Java代码玩出花？JVM Sandbox入门教程与原理浅谈

图中统计了一个应用从启动开始到所有SpringBean的启动耗时，按照从高到低排序，我由于是demo应用，Bean的耗时都偏低（也没有太多业务Bean），但在实际应用中会有非常多几秒甚至十几秒才完成初始化的Bean，可以进行针对性优化。

在JVMSandBox中如何实现上面的工具？其实非常简单。

先贴上思路的整体流程：

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首先新建Maven工程，在Maven依赖中引用JVM SandBox，官方推荐独立工程使用parent方式。

<parent>
    <groupId>com.alibaba.jvm.sandbox</groupId>
    <artifactId>sandbox-module-starter</artifactId>
    <version>1.2.0</version>
</parent>

新建一个类作为一个JVM SandBox模块，如下图：

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使用@Infomation声明mode为AGENT模式，一共有两种模式Agent和Attach。

  • Agent：随着JVM启动一起启动
  • Attach：在已经运行的JVM进程中，动态的插入

我们由于是监控JVM启动数据，所以需要AGENT模式。

其次，继承com.alibaba.jvm.sandbox.api.Module和com.alibaba.jvm.sandbox.api.ModuleLifecycle。

其中ModuleLifecycle包含了整个模块的生命周期回调函数。

  • onLoad：模块加载，模块开始加载之前调用！模块加载是模块生命周期的开始，在模块生命中期中有且只会调用一次。 这里抛出异常将会是阻止模块被加载的唯一方式，如果模块判定加载失败，将会释放掉所有预申请的资源，模块也不会被沙箱所感知
  • onUnload：模块卸载，模块开始卸载之前调用！模块卸载是模块生命周期的结束，在模块生命中期中有且只会调用一次。 这里抛出异常将会是阻止模块被卸载的唯一方式，如果模块判定卸载失败，将不会造成任何资源的提前关闭与释放，模块将能继续正常工作
  • onActive：模块被激活后，模块所增强的类将会被激活，所有com.alibaba.jvm.sandbox.api.listener.EventListener将开始收到对应的事件
  • onFrozen：模块被冻结后，模块所持有的所有com.alibaba.jvm.sandbox.api.listener.EventListener将被静默，无法收到对应的事件。 需要注意的是，模块冻结后虽然不再收到相关事件，但沙箱给对应类织入的增强代码仍然还在。
  • loadCompleted：模块加载完成，模块完成加载后调用！模块完成加载是在模块完成所有资源加载、分配之后的回调，在模块生命中期中有且只会调用一次。 这里抛出异常不会影响模块被加载成功的结果。模块加载完成之后，所有的基于模块的操作都可以在这个回调中进行

最常用的是loadCompleted，所以我们重写loadCompleted类，在里面开启我们的监控类SpringBeanStartMonitor线程。

而SpringBeanStartMonitor的核心代码如下图：

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使用Sandbox的doClassFilter过滤出匹配的类，这里我们是BeanFactory。

使用doMethodFilter过滤出要监听的方法，这里是initializeBean。

里取initializeBean作为统计耗时的切入方法。具体为什么选择该方法，涉及到SpringBean的启动生命周期，不在本文赘述范围内。（本文作者：蛮三刀酱）

如何把Java代码玩出花？JVM Sandbox入门教程与原理浅谈

接着使用moduleEventWatcher.watch(springBeanFilter, springBeanInitListener, Event.Type.BEFORE, Event.Type.RETURN);

将我们的springBeanInitListener监听器绑定到被观测的方法上。这样每次initializeBean被调用，都会走到我们的监听器逻辑。

监听器的主要逻辑如下：

如何把Java代码玩出花？JVM Sandbox入门教程与原理浅谈

代码有点长，不必细看，主要就是在原方法的BeforeEvent（进入前）和ReturnEvent（执行正常返回后）执行上述的切面逻辑，我这里便是使用了一个MAP存储每个Bean的初始化开始和结束时间，最终统计出初始化耗时。

最终，我们还需要一个方法来知道我们的原始Spring应用已经启动完毕，这样我们可以手动卸载我们的Sandbox模块，毕竟他已经完成了他的历史使命，不需要再依附在主进程上。

我们通过一个简陋的办法，检查http://127.0.0.1:8080/是否会返回小于500的状态码，来判断Spring容器是否已经启动。当然如果你的Spring没有使用Web框架，就不能用这个方法来判断启动完成，你也许可以通过Spring自己的生命周期钩子函数来实现，这里我是偷了个懒。

整个SpringBean监听模块的开发就完成了，你可以感受到，你的开发和日常业务开发几乎没有区别，这就是JVM Sandbox带给你的最大好处。

上述源码放在了我的Github仓库：

https://github.com/monitor4all/javaMonitor

JVM Sandbox底层技术

整个JVM Sandbox的入门使用基本上讲完了，上文提到了一些JVM技术名词，可能小伙伴们听过但不是特别了解。这里简单阐述几个重要的概念，理清楚这几个概念之间的关系，以便大家更好的理解JVM Sandbox底层的实现。

JVMTI

JVMTI（JVM Tool Interface）是 Java 虚拟机所提供的 native 编程接口，JVMTI可以用来开发并监控虚拟机，可以查看JVM内部的状态，并控制JVM应用程序的执行。可实现的功能包括但不限于：调试、监控、线程分析、覆盖率分析工具等。

很多java监控、诊断工具都是基于这种形式来工作的。如果arthas、jinfo、brace等，虽然这些工具底层是JVM TI，但是它们还使用到了上层工具JavaAgent。

JavaAgent和Instrumentation

Javaagent是java命令的一个参数。参数 javaagent 可以用于指定一个 jar 包。

-agentlib:<libname>[=<选项>] 加载本机代理库 <libname>, 例如 -agentlib:hprof
	另请参阅 -agentlib:jdwp=help 和 -agentlib:hprof=help
-agentpath:<pathname>[=<选项>]
	按完整路径名加载本机代理库
-javaagent:<jarpath>[=<选项>]
	加载 Java 编程语言代理, 请参阅 java.lang.instrument

在上面-javaagent参数中提到了参阅java.lang.instrument，这是在rt.jar 中定义的一个包，该包提供了一些工具帮助开发人员在 Java 程序运行时，动态修改系统中的 Class 类型。其中，使用该软件包的一个关键组件就是 Javaagent。从名字上看，似乎是个 Java 代理之类的，而实际上，他的功能更像是一个Class 类型的转换器，他可以在运行时接受重新外部请求，对Class类型进行修改。

Instrumentation的底层实现依赖于JVMTI。

JVM 会优先加载 带 Instrumentation 签名的方法，加载成功忽略第二种，如果第一种没有，则加载第二种方法。

Instrumentation支持的接口：

public interface Instrumentation {
    //添加一个ClassFileTransformer
    //之后类加载时都会经过这个ClassFileTransformer转换
    void addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform);

    void addTransformer(ClassFileTransformer transformer);
    //移除ClassFileTransformer
    boolean removeTransformer(ClassFileTransformer transformer);

    boolean isRetransformClassesSupported();
    //将一些已经加载过的类重新拿出来经过注册好的ClassFileTransformer转换
    //retransformation可以修改方法体，但是不能变更方法签名、增加和删除方法/类的成员属性
    void retransformClasses(Class<?>... classes) throws UnmodifiableClassException;

    boolean isRedefineClassesSupported();

    //重新定义某个类
    void redefineClasses(ClassDefinition... definitions)
        throws  ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException;

    boolean isModifiableClass(Class<?> theClass);

    @SuppressWarnings("rawtypes")
    Class[] getAllLoadedClasses();

    @SuppressWarnings("rawtypes")
    Class[] getInitiatedClasses(ClassLoader loader);

    long getObjectSize(Object objectToSize);

    void appendToBootstrapClassLoaderSearch(JarFile jarfile);

    void appendToSystemClassLoaderSearch(JarFile jarfile);

    boolean isNativeMethodPrefixSupported();

    void setNativeMethodPrefix(ClassFileTransformer transformer, String prefix);
}

Instrumentation的局限性：

  • 不能通过字节码文件和自定义的类名重新定义一个本来不存在的类
  • 增强类和老类必须遵循很多限制：比如新类和老类的父类必须相同；新类和老类实现的接口数也要相同，并且是相同的接口；新类和老类访问符必须一致。 新类和老类字段数和字段名要一致；新类和老类新增或删除的方法必须是private static/final修饰的；

更详细的原理阐述可以看下文：

https://www.cnblogs.com/rickiyang/p/11368932.html

再谈Attach和Agent

上面的实战章节中已经提到了attach和agent两者的区别，这里再展开聊聊。

在Instrumentation中，Agent模式是通过-javaagent:<jarpath>[=<选项>]从应用启动时候就插桩，随着应用一起启动。它要求指定的类中必须要有premain()方法，并且对premain方法的签名也有要求，签名必须满足以下两种格式：

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst)

public static void premain(String agentArgs)

一个java程序中-javaagent参数的个数是没有限制的，所以可以添加任意多个javaagent。所有的java agent会按照你定义的顺序执行，例如：

java -javaagent:agent1.jar -javaagent:agent2.jar -jar MyProgram.jar

上面介绍Agent模式的Instrumentation是在 JDK 1.5中提供的，在1.6中，提供了attach方式的Instrumentation，你需要的是agentmain方法，并且签名如下：

public static void agentmain (String agentArgs, Instrumentation inst)

public static void agentmain (String agentArgs)

这两种方式各有不同用途，一般来说，Attach方式适合于动态的对代码进行功能修改，在排查问题的时候用的比较多。而Agent模式随着应用启动，所以经常用于提前实现一些增强功能，比如我上面实战中的启动观测，应用防火墙，限流策略等等。

总结

本文花了较短的篇幅重点介绍了JVM Sandbox的功能，实际用法，以及基础原理。它通过封装一些底层JVM控制的框架，使得对JVM层面的AOP开发变的异常简单，就像作者自己所说“JVM-SANDBOX还能帮助你做很多很多，取决于你的脑洞有多大了。”

笔者在公司内部也通过它实现了很多小工具，比如上面的应用启动数据观测（公司内部是一个更为稳定复杂的版本，还监控了大量中间件的数据），帮助了很多部门同事，优化他们应用的启动速度。所以如果对JVM感兴趣，不妨大开脑洞，想一想JVM Sandbox还能在哪里帮助到你的工作，给自己的工作添彩。

参考

https://www.infoq.cn/article/tsy4lgjvsfweuxebw*gp

https://www.cnblogs.com/rickiyang/p/11368932.html

https://www.jianshu.com/p/eff047d4480a

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