Java黑科技之源：JVMTI完全解讀

        Java生態中有一些非常規的技術，它們能達到一些特別的效果。這些技術的實現原理不去深究的話一般並不是廣為人知。這種技術通常被稱為黑科技。而這些黑科技中的絕大部分底層都是透過JVMTI實現的。

形象地說，JVMTI是Java虛擬機器提供的一整套後門。透過這套後門可以對虛擬機器方方面面進行監控，分析。甚至幹預虛擬機器的執行。

下麵先介紹下哪些黑科技是透過JVMTI實現的，再詳細的介紹JVMTI。

 

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JVMTI可以用來實現哪些黑科技

1. 使用JVMTI對class檔案加密

   有時一些涉及到關鍵技術的class檔案或者jar包我們不希望對外暴露，因而需要進行加密。使用一些常規的手段（例如使用混淆器或者自定義類載入器）來對class檔案進行加密很容易被反編譯。反編譯後的程式碼雖然增加了閱讀的難度，但花費一些功夫也是可以讀懂的。使用JVMTI我們可以將解密的程式碼封裝成.dll,或.so 檔案。這些檔案想要反編譯就很麻煩了，另外還能加殼。解密程式碼不能被破解，從而也就保護了我們想要加密的class檔案。

    

2. 使用JVMTI實現應用效能監控(APM)

   在微服務大行其道的環境下，分散式系統的邏輯結構變得越來越複雜。這給系統效能分析和問題定位帶來了非常大的挑戰。基於JVMTI的APM能夠解決分散式架構和微服務帶來的監控和運維上的挑戰。APM透過匯聚業務系統各處理環節的實時資料，分析業務系統各事務處理的交易路徑和處理時間，實現對應用的全鏈路效能監測。開源的Pinpoint, ZipKin, Hawkular,商業的AppDynamics，OneAPM，Google Dapper等都是個中好手。

    

3. 產品執行時錯誤監測及除錯

   想要看生產環境的異常，最原始的方式是登入到生產環境的機器檢視日誌。稍微高階一點的方式是透過日誌監控或者APM等工具將異常採集上來。但是這些手段都有許多明顯的缺點。首先，不是所有的異常都會被列印到日誌中，有些異常可能被程式碼吃掉了；其次，列印異常的時候通常只有異常堆疊資訊，異常發生時背景關係的變數值很難獲取到（除非有經驗的程式員將其打印出來了），而這些資訊對定位異常的原因至關重要。基於JVMTI可以開發出一款工具來時事監控生產環境的異常。這方面有一款成熟的商業軟體OverOps，其有三個主要的功能：1. 採集到所有的異常，包括try catch之後沒有打印出來的異常；2. 可以採集到異常發生時背景關係所有變數的值；3. 可以將異常發生的堆疊對應的原始碼採集展示出來，從而在一個系統上就可以看程式碼定位問題，不需要開啟ide除錯原始碼。

    

4. JAVA程式的除錯(debug)。

   一般JAVA的IDE都自帶了除錯工具。例如Eclipse的除錯器相信大部分人都使用過。它的除錯器org.eclipse.jdt.debug外掛底層就是呼叫的JVMTI來實現的。不僅如此，隨著服務雲化的發展，google甚至推出了雲端除錯工具cloud debugger。它時一個web應用，可以直接對生產環境進行遠端除錯，不需要重啟或者中斷服務。阿裡也有類似的工具Zdebugger。

    

5. JAVA程式的診斷(profile)。

   當出現cpu使用率過高、執行緒死鎖等問題時，需要使用一些JAVA效能剖析或者診斷工具來分析具體的原因。例如Alibaba開源的Java診斷工具Arthas，深受開發者喜愛。Arthas的功能十分強大，它可以檢視或者動態修改某個變數的值、統計某個方法呼叫鏈上的耗時、攔截方法前後，列印引數值和傳回值，以及異常資訊等。

    

6. 熱載入

   熱載入指的是在不重啟虛擬機器的情況下重新載入一些class。熱載入可以使本地除錯程式碼非常節省時間，不用每次更新程式碼都重啟一邊程式。同時，在一線不方便重啟的線上環境也能派上用場。這方面的代表產品有商業產品JRebel等。JRebel能夠對應用中的任何class起作用。

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JVMTI是什麼

1. JVMTI的定義及原理

   在介紹JVMTI之前，需要先瞭解下Java平臺除錯體系JPDA（Java PlatformDebugger Architecture）。它是Java虛擬機器為除錯和監控虛擬機器專門提供的一套介面。如下圖所示，JPDA被抽象為三層實現。其中JVMTI就是JVM對外暴露的介面。JDI是實現了JDWP通訊協議的客戶端，除錯器透過它和JVM中被除錯程式通訊。

   JVMTI 本質上是在JVM內部的許多事件進行了埋點。透過這些埋點可以給外部提供當前背景關係的一些資訊。甚至可以接受外部的命令來改變下一步的動作。外部程式一般利用C/C++實現一個JVMTIAgent，在Agent裡面註冊一些JVM事件的回呼。當事件發生時JVMTI呼叫這些回呼方法。Agent可以在回呼方法裡面實現自己的邏輯。JVMTIAgent是以動態連結庫的形式被虛擬機器載入的。

    

    

   

    

    

2. JVMTI的歷史

   JVMTI 的前身是JVMDI（Java Virtual Machine Profiler Interface） 和 JVMPI（Java Virtual Machine Debug Interface），它們原來分別被用於提供除錯 Java 程式以及 Java 程式調節效能的功能。在 J2SE 5.0 之後 JDK 取代了JVMDI 和 JVMPI 這兩套介面，JVMDI 在最新的 Java SE 6 中已經不提供支援，而 JVMPI 也計劃在 Java SE 7 後被徹底取代。

    

3. JVMTI的功能

   JVMTI處於整個JPDA 體系的最底層，所有除錯功能本質上都需要透過 JVMTI 來提供。從大的方面來說，JVMTI 提供了可用於 debug 和profiler 的介面；同時，在 Java 5/6 中，虛擬機器介面也增加了監聽（Monitoring），執行緒分析（Thread analysis）以及改寫率分析（Coverage Analysis）等功能。從小的方面來說包含了虛擬機器中執行緒、記憶體、堆、棧、類、方法、變數，事件、定時器處理等等諸多功能。具體可以參考oracle 的檔案：https://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/jvmti/jvmti.html。透過這些介面，開發人員不僅可以除錯在該虛擬機器上執行的 Java 程式，還能檢視它們執行的狀態，設定回呼函式，控制某些環境變數，從而最佳化程式效能。

    

4. JVMTI的實現

   JVMTI 並不一定在所有的 Java 虛擬機器上都有實現，不同的虛擬機器的實現也不盡相同。不過在一些主流的虛擬機器中，比如 Sun 和 IBM，以及一些開源的如Apache Harmony DRLVM 中，都提供了標準 JVMTI 實現。

參考：

1. https://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/jvmti/jvmti.html
2. https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-jpda2/
3. http://blog.caoxudong.info/blog/2017/12/07/jvmti_reference
4. http://lovestblog.cn/blog/2015/09/14/javaagent/
5. https://www.jianshu.com/p/e59c4eed44a2