最近，有小伙伴反饋：B站 1面要手撕一個 Java Agent，直接把他搞懵逼了。這篇文章，我們將針對這么小伙伴遇到的問題，深入分析什么 Java Agent及其工作原理，最后帶領大家手撕一個 Java Agent。

一、什么是 Java Agent？

Java Agent 是一種特殊的 Java程序，從 Java5 開始支持，它可以在 Java虛擬機（JVM）啟動時或運行時加載，并且能夠在不修改原始源代碼的情況下對字節碼進行操作。

二、Java Agent原理

Java Agent 的核心原理是通過 Java Instrumentation API提供的機制，在類加載時或運行時動態修改字節碼。這里涉及到主要的幾個技術點：

• Instrumentation 接口
• Premain() 和 Agentmain()方法

1.Instrumentation

Instrumentation是 Java SE 5 在java.lang.instrument包下引入的一個接口，主要用于字節碼操作。它提供了以下幾個關鍵功能：

• 類轉換：允許在類加載時對字節碼進行修改。
• 代理類生成：可以在運行時生成新的類。
• 對象監控：可以獲取JVM中的對象信息，如內存使用情況。

Instrumentation 接口提供了一組用于操作類和對象的方法，以下是一些主要的方法及其說明：

(1) addTransformer

作用：添加一個 ClassFileTransformer，用于在類加載時對字節碼進行修改。源碼如下：

/**
 * @param transformer：要移除的字節碼轉換器
 */
void addTransformer(ClassFileTransformer transformer);

/**
 * @param transformer：要移除的字節碼轉換器
 * @param canRetransform：指示是否允許重新轉換已經加載的類
 */
void addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform);

(2) removeTransformer

作用：移除一個之前添加的ClassFileTransformer。源碼如下：

/**
 * @param transformer：要移除的字節碼轉換器
 * @return 如果轉換器被成功移除，則返回true，否則返回false
 */
boolean removeTransformer(ClassFileTransformer transformer);

(3) retransformClasses

作用：重新轉換已經加載的類。源碼如下：

/**
 * @param classes：要重新轉換的類
 * @throws 如果某個類不能被修改，則拋出UnmodifiableClassException
 */
void retransformClasses(Class<?>... classes) throws UnmodifiableClassException;

(4) redefineClasses

作用：重新定義已經加載的類。源碼如下：

/**
 * @param definitions：包含類的定義及其新的字節碼
 * @throws 如果類不能被修改或未找到，則拋出相應的異常
 */
void redefineClasses(ClassDefinition... definitions) 
    throws ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException;

(5) isModifiableClass

作用：檢查一個類是否可以被修改。源碼如下：

/**
 * @param theClass：要檢查的類
 * @return 如果類可以被修改，則返回true，否則返回false
 */
boolean isModifiableClass(Class<?> theClass);

(6) isRetransformClassesSupported

作用：檢查當前JVM是否支持重新轉換已經加載的類。

/**
 * @return 如果支持，則返回true，否則返回false
 */
boolean isRetransformClassesSupported();

(7) isRedefineClassesSupported

作用：檢查當前JVM是否支持重新定義已經加載的類。源碼如下：

/**
 * @return 如果支持，則返回true，否則返回false
 */
boolean isRedefineClassesSupported();

(8) getAllLoadedClasses

作用：獲取當前JVM中所有已經加載的類。源碼如下：

/**
 * @return 一個包含所有已加載類的數組
 */
Class<?>[] getAllLoadedClasses();

(9) getInitiatedClasses

作用：獲取由指定類加載器加載的所有類。源碼如下：

/**
 * @param loader：類加載器
 * @return 一個包含所有由指定類加載器加載的類的數組
 */
Class<?>[] getInitiatedClasses(ClassLoader loader);

(10) getObjectSize

作用：獲取指定對象的內存大小。源碼如下：

/**
 * @param objectToSize：要獲取大小的對象
 * @return 對象的內存大小（以字節為單位）
 */
long getObjectSize(Object objectToSize);

2.Premain 和 Agentmain

Java Agent 的入口是兩個特殊的方法：premain() 和 agentmain()，這兩個方法分別用于在 JVM啟動時和運行時加載 Agent。

• premain：在JVM啟動時執行。類似于C語言中的main函數。
• agentmain：在JVM運行時通過Attach機制加載Agent。

public class MyAgent {
    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
        // 在JVM啟動時執行的代碼
    }

    public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
        // 在JVM運行時加載Agent時執行的代碼
    }
}

三、手撕 Java Agent

手撕一個 Java Agent 主要包括以下 4個步驟：

• 編寫 Agent類：包含 premain() 或 agentmain() 方法。
• 編寫 MANIFEST.MF 文件：指定 Agent 的入口類。
• 打包成 JAR 文件：包含 Agent 類和 MANIFEST 文件。
• 使用 Agent：通過指定 JVM 參數或 Attach 機制加載 Agent。

下面以在方法進入和退出時打印日志為例，完整的演示如何手撕一個 Java Agent，開干！

1.編寫 Agent類

首先，我們需要編寫一個包含 premain()方法的 Agent類，示例代碼如下：

import java.lang.instrument.Instrumentation;
import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.security.ProtectionDomain;

public class LoggingAgent {
    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
        inst.addTransformer(new LoggingTransformer());
    }
}

class MyTransformer implements ClassFileTransformer {
    @Override
    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
                            ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) {
        if (className.equals("com/example/JavaAgentTest")) {
            // 使用 ASM或 Javassist進行字節碼操作
            return addLogging(classfileBuffer);
        }
        return classfileBuffer;
    }

    private byte[] addLogging(byte[] classfileBuffer) {
        // 使用 ASM或 Javassist庫進行字節碼修改
        // 這里只是一個簡單的示例，實際操作會復雜得多
        return classfileBuffer;
    }
}

2.編寫 MANIFEST.MF文件

接著，我們需要在 MANIFEST.MF 文件中指定 Agent 的入口類，如下信息：

Manifest-Version: 1.0
Premain-Class: LoggingAgent

3.打包成 JAR文件

然后，將 Agent 類和 MANIFEST.MF 文件打包成一個 JAR 文件，指令如下：

jar cmf MANIFEST.MF loggingagent.jar LoggingAgent.class LoggingTransformer.class

4.使用 Agent

最后，通過指定 JVM 參數來加載 Agent，指令如下：

java -javaagent:loggingagent.jar -jar myapp.jar

或者通過 Attach 機制在運行時加載 Agent，示例代碼如下：

import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;

public class AttachAgent {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String pid = args[0]; // 目標 JVM 的進程ID
        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(pid);
        vm.loadAgent("path/to/myagent.jar");
        vm.detach();
    }
}

最后，我們寫一個測試類來驗證上面的 Java Agent：

package com.example;
public class JavaAgentTest {
    public void methodTest() {
        System.out.println("Hello, World!");
    }

    public static void main(String[] args) {
        JavaAgentTest test = new JavaAgentTest();
        test.methodTest();
    }
}

四、Java Agent使用場景

Java Agent 在實際應用中有很多重要的使用場景，主要包括性能監控、調試、日志增強、安全檢查、AOP等，以下是一些具體的應用場景及其詳細說明。

1.性能監控

通過Java Agent，可以在不修改應用代碼的情況下，動態地收集性能指標，如方法執行時間、內存使用情況、線程狀態等。

比如，許多 Java Profiling工具，如 VisualVM、YourKit、JProfiler等，都使用 Java Agent 來收集性能數據。這些工具通過 Agent 動態注入代碼來記錄方法調用、CPU 使用率、內存分配等信息。

2.調試

Java Agent 可以用于增強調試功能，在運行時收集更多的調試信息。

在調試復雜問題時，可能需要額外的日志信息，通過Java Agent，可以在不修改原始代碼的情況下，動態地添加日志語句。

3.日志增強

日志是軟件開發中非常重要的一部分，通過Java Agent可以在不修改代碼的情況下，增強日志功能。

• 全局日志：通過Java Agent，可以在每個方法入口和出口處添加日志記錄，捕獲方法調用的參數和返回值，方便問題排查。
• 動態配置：Java Agent 可以根據配置文件動態調整日志級別和日志內容，而不需要重啟應用程序。

4.安全檢查

• 方法權限檢查：在方法調用前，Java Agent 可以動態檢查調用者的權限，防止未授權的操作
• 數據校驗：在數據處理前，Java Agent 可以動態添加數據校驗邏輯，確保輸入數據的合法性和完整性。

5.AOP

AOP（面向切面編程） 是一種編程范式，通過Java Agent可以實現動態AOP，增強代碼的靈活性和可維護性。

• 事務管理：通過Java Agent，可以在方法調用前后動態添加事務管理邏輯，確保數據的一致性。
• 緩存：在方法調用前，Java Agent 可以檢查緩存，如果有緩存數據則直接返回，避免重復計算。

6.其他應用

• 熱部署：Java Agent 可以實現類的熱替換，支持應用程序在不重啟的情況下更新代碼。
• 測試覆蓋率：通過Java Agent，可以動態收集測試覆蓋率信息，生成覆蓋率報告，幫助開發者了解測試的完整性。

五、Java Agent框架

通過上文我們可以看到 Java Agent 使用場景比較多，為了簡化和增強Java Agent的使用，許多開源和商業框架都提供了不同層次的支持和功能，下面介紹幾種比較流行的框架。

1.Javassist

Javassist 是一個高層次的Java字節碼操作庫，提供了簡單易用的API，允許開發者通過類似于操作Java源代碼的方式來操作字節碼。

Javassist 的特點：

• 易于使用：提供了高層次的API，簡化了字節碼操作。
• 靈活：支持動態生成和修改類。
• 廣泛應用：被許多Java框架和工具使用，如Hibernate、JBoss等。

2.AspectJ

AspectJ 是一個功能強大的AOP（面向切面編程）框架，允許開發者通過定義切面（Aspect）來增強Java代碼。AspectJ可以通過Java Agent來實現動態AOP。

AspectJ 的特點：

• AOP支持：提供了強大的AOP支持，簡化了橫切關注點的處理。
• 靈活：支持靜態織入和動態織入。
• 廣泛應用：被許多企業級應用和框架使用，如Spring AOP。

3.Spring Instrument

Spring Instrument 是Spring框架提供的一個工具，用于在運行時增強Spring應用的功能。它使用Java Agent來實現類加載時的字節碼操作，常用于Spring AOP和Spring Load-Time Weaving（LTW）。

Spring Instrument 的特點：

• 與 Spring集成：無縫集成到 Spring框架中，簡化了 Spring應用的增強。
• 支持 LTW：支持運行時織入，增強 Spring應用的動態功能。
• 易于配置：通過 Spring配置文件或注解進行配置。

4.ASM

ASM 是一個低級別的 Java字節碼操作庫，功能強大但API相對復雜。它允許開發者以最細粒度的方式操作字節碼。

ASM的特點：

• 高效：直接操作字節碼，性能極高。
• 靈活：支持復雜的字節碼修改和生成。
• 廣泛應用：被許多其他字節碼庫和框架所使用，如ByteBuddy、CGLIB等。

5.鏈路追蹤框架

鏈路追蹤（Distributed Tracing）是分布式系統中用于追蹤請求流經不同服務的過程的技術，為了實現這一點，許多鏈路追蹤框架利用了 Java Agent 技術來動態地注入代碼，從而在不修改應用程序代碼的情況下實現對請求的追蹤，這種方法通常被稱為“字節碼增強”或“字節碼注入”。

常見的鏈路追蹤框架有：Apache SkyWalking，Elastic APM，Pinpoint，Zipkin，Jaeger 等，它們內部通過 Java Agent 技術實現了對應用程序的無侵入式監控。

總結

Java Agent是一種強大的工具，可以在運行時對字節碼進行動態修改，從而實現各種監控、調試和增強等功能，其核心原理包括：

• Instrumentation 接口
• Premain() 和 Agentmain()方法

通過 Instrumentation API，我們可以在不修改原始源代碼的情況下對字節碼進行操作，這為開發者提供了極大的靈活性，在很多優秀的框架中都有使用 Java Agent，因此，作為 Java程序員，建議掌握這個知識點。