自己實現字節碼增強

涉及技術：

JVMTI ，javaagent，Attach API， Instrument ，Javassist

JVMTI：

JVM TI(JVM TOOL INTERFACE，JVM 工具接口)是 JVM 提供的一套對 JVM 進行操作的工具接口。通過JVMTI，可以實現對 JVM 的多種操作，它通過接口註冊 各種事件勾子，在 JVM 事件觸發時，同時觸發預定義的勾子，以實現對各個 JVM 事件的響應，事件包括類文件加載、異常產生與捕獲、線程啓動和結束、進入和退 出臨界區、成員變量修改、GC開始和結束、方法調用進入和退出、臨界區競爭與等 待、VM 啓動與退出等等。

javaagent

Agent 就是 JVMTI 的一種實現，Agent 有兩種啓動方式，一是隨 Java 進 程啓動而啓動;二是運行時載入，通過 attach API，將模塊(jar 包)動態地 Attach 到指定進程 id 的 Java 進程內。

Attach API

Attach API 的作用是提供 JVM 進程間通信的能力，比如說我們爲了讓另外一 個 JVM 進程把線上服務的線程 Dump 出來，會運行 jstack 或 jmap 的進程，並傳 遞 pid 的參數，告訴它要對哪個進程進行線程 Dump，這就是 Attach API 做的事情。

Instrument

instrument 是 JVM 提供的一個可以修改已加載類的類庫，專門爲 Java 語言編 寫的插樁服務提供支持。它需要依賴 JVMTI的 Attach API 機制實現。

Javassist

Javassist是一個開源的分析、編輯和創建Java字節碼的類庫，可以直接使用java編碼的形式，而不需要了解虛擬機指令，就能動態改變類的結構，或者動態生成類。

實現

因爲javaagent有兩種實現方式，但是我們想要實現的是在不停機的情況下進行字節碼增強，所以選擇使用Attach API進行動態載入。使用 javaagent 需要幾個步驟：

1. 定義一個 MANIFEST.MF 文件，必須包含 Agent-Class 選項，通常也會加入Can-Redefine-Classes 和 Can-Retransform-Classes 選項。
   
2. 創建一個Agent-Class 指定的類，類中包含 agentmain 方法，方法邏輯由用戶自己確定。

public class AgentMainTest{
	public static void agentmain( String agentArgs, Instrumentation instrumentation ){
		// 指定我們自己定義的 Transformer，在其中利用 Javassist 做字節碼替換
		instrumentation.addTransformer( new DefineTransformer(), true );
		try{
			instrumentation.retransformClasses( Base.class );
			System.out.println( "Agent Load Done." );
		}
		catch( UnmodifiableClassException e ){
			System.out.println( "agent load failed!" );
		}
	}
}

public class DefineTransformer implements ClassFileTransformer{
	
	// 類文件加載的時候調用
	@Override
	public byte[] transform( ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain,
			byte[] classfileBuffer ){

		try{
			ClassPool cp = ClassPool.getDefault();
			CtClass cc = cp.get( "com.bj58.jvmti.Base" );
			CtMethod m = cc.getDeclaredMethod( "run" );
			// 解凍class，以便修改class內容
			cc.defrost();
			m.insertBefore( "{ System.out.println(\"run() start\"); }" );
			m.insertAfter( "{ System.out.println(\"run() end\"); }" );
			return cc.toBytecode();
		}
		catch( Exception e ){
			e.printStackTrace();
		}
		return null;
	}

}

4. 將 agentmain 的類和 MANIFEST.MF 文件打成 jar 包。
5. 最後利用 Attach API，將我們打包好的 jar 包 Attach 到指定的 JVM pid 上代碼如下

public class TestAgentMain {
    public static void main(String[] args) throws IOException, AttachNotSupportedException, AgentLoadException, AgentInitializationException{
        System.out.println("running JVM start ");
        // 使用attach api, Attach到目標 JVM 上，建立通信管道
        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach("15219");
        // 讓目標JVM加載Agent
        vm.loadAgent("/Users/benettchen/Desktop/javaagent.jar");
    }
}

Base類

public class Base{

	public static void main( String[] args ){

		System.out.println( "pid:" + populateProcessId() );
		while( true ){
			try{
				Thread.sleep( 3000L );
			}
			catch( Exception e ){
				break;
			}
			run();
		}
	}

	private static void run(){

		System.out.println( "working..." );
	}

	private static String populateProcessId(){
		/*
		 * runtimeMXBean.getName()取得的值包括兩個部分：PID和hostname，兩者用@連接。
		 */
		RuntimeMXBean runtimeMXBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean();
		return runtimeMXBean.getName().split( "@" )[ 0 ];
	}
}

運行流程梳理：

1. 首先編寫agent項目，並其打包成jar包。
2. 啓動Base這個Java進程，獲取該進程id。
3. 啓動TestAgentMain，將jar包動態的attach到目標jvm（Base進程）上
4. 在attach後，由於在MANIFEST.MF 中指定了 Agent-Class，所以會走到AgentMainTest的agentmain方法。
5. 使用javassist修改Base類的字節碼，然後利用Instrumentation完成類的重新加載。

以下爲運行時重新載入jar的效果：

從運行結果可以看出，在載入jar包後，在run方法前後分別輸出了“run() start”和“run() end”，實現了在運行時字節碼增強並重新載入到jvm的目的。

閒話：
自己動手實現完對Java運行程序字節碼動態增強後，突然感覺可以利用這個技術對Java程序開掛，哈哈。想到自己的idea是Java語言編寫的，而且也是通過jar包進行破解的，就想看看它的實現是否是按照這個思路。於是乎興奮的將破解的jar包進行反編譯，發現了驚奇的一幕：


它用的正是javaagent的第一種實現，在JVM啓動時進行加載，所以在使用這個jar包後，需要重啓idea。