Java SE 6新特性:Instrumentation

2008-02-23 08:18:15来源:互联网 阅读 ()

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  简介

  利用 Java 代码,即 java.lang.instrument 做动态 Instrumentation 是 Java SE 5 的新特性,它把 Java 的 instrument 功能从本地代码中解放出来,使之可以用 Java 代码的方式解决问题。使用 Instrumentation,开发者可以构建一个独立于应用程序的代理程序(Agent),用来监测和协助运行在 JVM 上的程序,甚至能够替换和修改某些类的定义。有了这样的功能,开发者就可以实现更为灵活的运行时虚拟机监控和 Java 类操作了,这样的特性实际上提供了一种虚拟机级别支持的 AOP 实现方式,使得开发者无需对 JDK 做任何升级和改动,就可以实现某些 AOP 的功能了。

  在 Java SE 6 里面,instrumentation 包被赋予了更强大的功能:启动后的 instrument、本地代码(native code)instrument,以及动态改变 classpath 等等。这些改变,意味着 Java 具有了更强的动态控制、解释能力,它使得 Java 语言变得更加灵活多变。

  在 Java SE6 里面,最大的改变使运行时的 Instrumentation 成为可能。在 Java SE 5 中,Instrument 要求在运行前利用命令行参数或者系统参数来设置代理类,在实际的运行之中,虚拟机在初始化之时(在绝大多数的 Java 类库被载入之前),instrumentation 的设置已经启动,并在虚拟机中设置了回调函数,检测特定类的加载情况,并完成实际工作。但是在实际的很多的情况下,我们没有办法在虚拟机启动之时就为其设定代理,这样实际上限制了 instrument 的应用。而 Java SE 6 的新特性改变了这种情况,通过 Java Tool API 中的 attach 方式,我们可以很方便地在运行过程中动态地设置加载代理类,以达到 instrumentation 的目的。

  另外,对 native 的 Instrumentation 也是 Java SE 6 的一个崭新的功能,这使以前无法完成的功能 —— 对 native 接口的 instrumentation 可以在 Java SE 6 中,通过一个或者一系列的 prefix 添加而得以完成。

  最后,Java SE 6 里的 Instrumentation 也增加了动态添加 class path 的功能。所有这些新的功能,都使得 instrument 包的功能更加丰富,从而使 Java 语言本身更加强大。

  Instrumentation 的基本功能和用法

  “java.lang.instrument”包的具体实现,依赖于 JVMTI。JVMTI(Java Virtual Machine Tool Interface)是一套由 Java 虚拟机提供的,为 JVM 相关的工具提供的本地编程接口集合。JVMTI 是从 Java SE 5 开始引入,整合和取代了以前使用的 Java Virtual Machine Profiler Interface (JVMPI) 和 the Java Virtual Machine Debug Interface (JVMDI),而在 Java SE 6 中,JVMPI 和 JVMDI 已经消失了。JVMTI 提供了一套”代理”程序机制,可以支持第三方工具程序以代理的方式连接和访问 JVM,并利用 JVMTI 提供的丰富的编程接口,完成很多跟 JVM 相关的功能。事实上,java.lang.instrument 包的实现,也就是基于这种机制的:在 Instrumentation 的实现当中,存在一个 JVMTI 的代理程序,通过调用 JVMTI 当中 Java 类相关的函数来完成 Java 类的动态操作。除开 Instrumentation 功能外,JVMTI 还在虚拟机内存管理,线程控制,方法和变量操作等等方面提供了大量有价值的函数。

  Instrumentation 的最大作用,就是类定义动态改变和操作。在 Java SE 5 及其后续版本当中,开发者可以在一个普通 Java 程序(带有 main 函数的 Java 类)运行时,通过 –javaagent 参数指定一个特定的 jar 文件(包含 Instrumentation 代理)来启动 Instrumentation 的代理程序。

  在 Java SE 5 当中,开发者可以让 Instrumentation 代理在 main 函数运行前执行。简要说来就是如下几个步骤:

  编写 premain 函数

  编写一个 Java 类,包含如下两个方法当中的任何一个

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst); [1]
public static void premain(String agentArgs); [2]

  其中,[1] 的优先级比 [2] 高,将会被优先执行([1] 和 [2] 同时存在时,[2] 被忽略)。

  在这个 premain 函数中,开发者可以进行对类的各种操作。

  agentArgs 是 premain 函数得到的程序参数,随同 “–javaagent”一起传入。与 main 函数不同的是,这个参数是一个字符串而不是一个字符串数组,如果程序参数有多个,程序将自行解析这个字符串。

  Inst 是一个 java.lang.instrument.Instrumentation 的实例,由 JVM 自动传入。java.lang.instrument.Instrumentation 是 instrument 包中定义的一个接口,也是这个包的核心部分,集中了其中几乎所有的功能方法,例如类定义的转换和操作等等。

  jar 文件打包

  将这个 Java 类打包成一个 jar 文件,并在其中的 manifest 属性当中加入” Premain-Class”来指定步骤 1 当中编写的那个带有 premain 的 Java类。(可能还需要指定其他属性以开启更多功能)

  运行

  用如下方式运行带有 Instrumentation 的 Java 程序:

java -javaagent:jar文件的位置[=传入premain的参数]

  对 Java 类文件的操作,可以理解为对一个 byte 数组的操作(将类文件的二进制字节流读入一个 byte 数组)。开发者可以在“ClassFileTransformer”的 transform 方法当中得到,操作并最终返回一个类的定义(一个 byte 数组)。这方面,Apache 的 BCEL 开源项目提供了强有力的支持,读者可以在参考文章“Java SE 5 特性 Instrumentation 实践”中看到一个 BCEL 和 Instrumentation 结合的例子。具体的字节码操作并非本文的重点,所以,本文中所举的例子,只是采用简单的类文件替换的方式来演示 Instrumentation 的使用。

  下面,我们通过简单的举例,来说明 Instrumentation 的基本使用方法。

  首先,我们有一个简单的类,TransClass, 可以通过一个静态方法返回一个整数 1。

public class TransClass {
 public int getNumber() {
  return 1;
 } 
}
  我们运行如下类,可以得到输出 ”1“。

public class TestMainInJar {
 public static void main(String[] args) {

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