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完整java代码(如何把Java代码玩出花?JVM Sandbox入门教程与原理浅谈)

时间2025-06-20 15:02:50分类IT科技浏览4891
导读: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,...

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              。

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       。

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。

可以感知和改变方法调用的入参 可以感知和改变方法调用返回值和抛出的异常 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:

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:

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:

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:

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)

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:

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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