JVMTI开发教程之一个简单的Agent

概述

JVM TI是JDK提供的一套用于开发JVM监控, 问题定位与性能调优工具的通用编程接口(API)。
通过JVMTI,我们可以开发各式各样的JVMTI Agent。这个Agent的表现形式是一个以c/c++语言编写的动态共享库。

JVMTI Agent原理: java启动或运行时,动态加载一个外部基于JVM TI编写的dynamic module到Java进程内,然后触发JVM源生线程Attach Listener来执行这个dynamic module的回调函数。在函数体内,你可以获取各种各样的VM级信息,注册感兴趣的VM事件,甚至控制VM的行为。

JVMTI从功能上大致可以分为4类:

1. Heap
获取所有类的信息,对象信息,对象引用关系,Full GC开始/结束,对象回收事件等。

2. 线程与堆栈
获取所有线程的信息,线程组信息,控制线程(start,suspend,resume,interrupt…), Thread Monitor(Lock),得到线程堆栈,控制出栈,方法强制返回,方法栈本地变量等。

3. Class & Object & Method & Field 元信息
class信息,符号表,方法表,redefine class(hotswap), retransform class,object信息,fields信息,method信息等。

4. 工具类
线程cpu消耗,classloader路径修改,系统属性获取等。

开发jvm ti agent,简单的来讲,就是开发一个c/c++的共享库。在windows下后缀是dll,linux/unix下是so,mac下就是dylib。所以我们创建工程和编译环境的时候,记得以共享库(share library)的形式来构建。

JVMTI**的启动方式**

JVMTI有两种启动方式,第一种是随java进程启动时,自动载入共享库,下文简称方式A。另一种方式是,java运行时,通过attach api动态载入,下文简称方式B。

方式A的实现方式是通过在java启动时传递一个特殊的option,例子如下:

java -agentlib:<agent-lib-name>=<options> Sample
注意,这里的共享库路径是环境变量路径,例如 java -agentlib:foo=opt1,opt2,java启动时会从linux的LD_LIBRARY_PATH或windows的PATH环境变量定义的路径处装载foo.so或foo.dll,找不到则抛异常

java -agentpath:<path-to-agent>=<options> Sample
这是以绝对路径的方式装载共享库,例如 java -agentpath:/home/admin/agentlib/foo.so=opt1,opt2

方式B的实现方式是通过attach api,这是一套纯java的api,它负责动态地将dynamic module attach到指定进程id的java进程内并触发回调。例子如下:

import java.io.IOException;

import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;

public class VMAttacher {

public static void main(String[] args) throws Exception {

// args[0]为java进程id

VirtualMachine virtualMachine = com.sun.tools.attach.VirtualMachine.attach(args[0]);

// args[1]为共享库路径,args[2]为传递给agent的参数

virtualMachine.loadAgentPath(args[1], args[2]);

virtualMachine.detach();

}

}

Attach API位于$JAVA_HOME/lib/tools.jar,所以在编译时,需要将这个jar放入classpath。例如

javac -cp $JAVA_HOME/lib/tools.jar VMAttacher.java

准备开发JVMTI Agent

1. jvmti**头文件搜索路径**
c/c++应用程序都会用到头文件,为了让共享库编译时能找到jvmti的头文件,我们需要添加2个路径到Includes。
一个指向到$JAVA_HOME/include,另一个指向到$JAVA_HOME/include/linux,windows下为$JAVA_HOME/include/windows
例如:

g++ -I/home/kenwu/jdk1.6.0_24/include -I/home/kenwu/jdk1.6.0_24/include/linux
上面是以命令行方式编译,如果你使用的是IDE,请在相应位置添加Includes.

2. **源码引入jvmti.h头文件**
jvmti.h头文件里包含了所有jvm ti要用到的数据结构和回调函数定义。

#include <jvmti.h>
3. **确定JVMTI的启动方式,引入回调函数**
方式A引入的回调函数如下:
JNIEXPORT jint JNICALL

Agent_OnLoad(JavaVM vm, char options, void *reserved)
方式B引入的回调函数如下:
JNIEXPORT jint JNICALL

Agent_OnAttach(JavaVM jvm, char options, void reserved) {
卸载共享库时的回调函数(通用):
JNIEXPORT void JNICALL Agent_OnUnload(JavaVM
vm)
我们可以看到,方式A和方式B提供的回调函数,参数是一样的。

三个参数分别是 jvm, options, reserved.
jvm变量是JVM传递给共享库的上下文。通过jvm变量,我们可以创建jvmti环境上下文。需要注意的是,jvmti上下文不同于jvm上下文,这从jvm变量类型定义的函数上可以看出。
options是外部传入的参数。比如前面例子里给的 opt1, opt2,它仅仅是一个字符串。
reserved,这是一个预留参数,我们不必关心它。

开发一个简单的JVMTI Agent

下面,给大家演示开发一个的简单Agent.
功能是打印jvm内所有已经装载成功的class签名。

Agent代码:

_/*_

_ * Just a simple agent using JVMTI._

_ *_

_ * Created on: 2011-3-3_

_ * Author: kenwu_

_ */_

#include <jvmti.h>

#include <string>

#include <cstring>

#include <iostream>

#include <list>

#include <map>

#include <set>

#include <stdlib.h>

#include <jni_md.h>

JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnAttach(JavaVM jvm, char options,

void *reserved) {

jvmtiEnv *jvmti;

jint result = jvm->GetEnv((void **) &jvmti, JVMTI_VERSION_1_1);

if (result != JNI_OK) {

printf(“ERROR: Unable to access JVMTI!n“);

}

jvmtiError err = (jvmtiError) 0;

jclass *classes;

jint count;

err = jvmti->GetLoadedClasses(&count, &classes);

if (err) {

printf(“ERROR: JVMTI GetLoadedClasses failed!n“);

}

for (int i = 0; i < count; i++) {

char *sig;

jvmti->GetClassSignature(classes[i], &sig, NULL);

printf(“cls sig=%sn“, sig);

}

return err;

}

JNIEXPORT void JNICALL Agent_OnUnload(JavaVM *vm) {

// nothing to do

}
完成Agent源码的编写后,我们来编译它。
BASE_HOME=`**pwd**`

INCLUDES=”-I$JAVA_HOME/include -I$JAVA_HOME/include/linux”

g++ $BASE_HOME/src/agent.cpp $INCLUDES -Wall -Wno-deprecated -fPIC –share -o $BASE_HOME/libtestagent.so
例子中的 BASE_HOME 为笔者的工程根目录,请自行替换。

编译完后,我们需要准备一个java进程的Attach工具类。最简单的实现方式,就是直接写一个带main的java application。
笔者将上文中提到的VMAttacher例子稍做了一下修改:

import java.io.IOException;

import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;

public class TestAgentVMAttacher {

public static void main(String[] args) throws Exception {

String pid = “12345”; // 12345改成你想attach的java进程id

String agentPath = “/path_to_agent”; // path_to_agent为你编译的agent的路径

VirtualMachine virtualMachine = com.sun.tools.attach.VirtualMachine.attach(pid);

virtualMachine.loadAgentPath(agentPath, null);

virtualMachine.detach();

}

}
最后,运行这个java application。如果你的console能看到如下输出,说明agent load并运行成功:
cls sig=Lsun/jkernel/DownloadManager$1;
cls sig=Lsun/nio/cs/StandardCharsets$Cache;
cls sig=Lsun/misc/URLClassPath;
cls sig=Ljava/nio/HeapCharBuffer;
cls sig=Lsun/nio/ByteBuffered;
cls sig=Ljava/lang/StringCoding$StringDecoder;
cls sig=Ljava/lang/reflect/Modifier;
cls sig=Ljava/util/Collections;
….
PS:灵活使用Attach API,还可以实现更多高级的功能,在本文中不再赘述。

总结

通过本文的学习,你了解了JVMTI,学会了如何配置JVMTI开发环境,并在自己搭建的环境中开发了一个简单的打印所有已装载class签名的agent。
在下一节中,我们将深入到JVMTI Heap相关的各个函数,利用这些函数实现一个多功能的堆内存分析程序。

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