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Java 动态调试技术原理及实践
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来自：美团技术团队
调试是发现和减少计算机程序或电子仪器设备中程序错误的一个过程。最常用的断点调试技术会在断点位置停顿，导致应用停止响应。本文将介绍一种Java动态调试技术，希望能对大家有帮助。同时也欢迎读者朋友们一起交流，继续探索动态化调试技术。
1. 动态调试要解决的问题
2. Java Agent技术
2.1 Agent的实现模式
2.1.1 通过Java Instrumentation API
实现Agent启动方法
[1] public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst);
[2] public static void premain(String agentArgs);[1] public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst);
[2] public static void agentmain(String agentArgs);
这两组方法的第一个参数AgentArgs是随同 “– javaagent”一起传入的程序参数，如果这个字符串代表了多个参数，就需要自己解析这些参数。inst是Instrumentation类型的对象，是JVM自动传入的，我们可以拿这个参数进行类增强等操作。
指定Main-Class
Premain-Class: class
Agent-Class: class
挂载到目标JVM
com.sun.tools.attach.VirtualMachine 这个类代表一个JVM抽象，可以通过这个类找到目标JVM，并且将Agent挂载到目标JVM上。下面是使用com.sun.tools.attach.VirtualMachine进行动态挂载Agent的一般实现：
private void attachAgentToTargetJVM() throws Exception {
List<VirtualMachineDescriptor> virtualMachineDescriptors = VirtualMachine.list();
VirtualMachineDescriptor targetVM = null;
for (VirtualMachineDescriptor descriptor : virtualMachineDescriptors) {
if (descriptor.id().equals(configure.getPid())) {
targetVM = descriptor;
break;
}
}
if (targetVM == null) {
throw new IllegalArgumentException("could not find the target jvm by process id:" + configure.getPid());
}
VirtualMachine virtualMachine = null;
try {
virtualMachine = VirtualMachine.attach(targetVM);
virtualMachine.loadAgent("{agent}", "{params}");
} catch (Exception e) {
if (virtualMachine != null) {
virtualMachine.detach();
}
}
}
首先通过指定的进程ID找到目标JVM，然后通过Attach挂载到目标JVM上，执行加载Agent操作。VirtualMachine的Attach方法就是用来将Agent挂载到目标JVM上去的，而Detach则是将Agent从目标JVM卸载。关于Agent是如何挂载到目标JVM上的具体技术细节，将在下文中进行分析。
2.2 启动时加载Agent
2.2.1 参数解析
// -agentlib and -agentpath
if (match_option(option, "-agentlib:", &tail) ||
(is_absolute_path = match_option(option, "-agentpath:", &tail))) {
if(tail != NULL) {
const char* pos = strchr(tail, '=');
size_t len = (pos == NULL) ? strlen(tail) : pos - tail;
char* name = strncpy(NEW_C_HEAP_ARRAY(char, len + 1, mtArguments), tail, len);
name[len] = '\0';
char *options = NULL;
if(pos != NULL) {
options = os::strdup_check_oom(pos + 1, mtArguments);
}
#if !INCLUDE_JVMTI
if (valid_jdwp_agent(name, is_absolute_path)) {
jio_fprintf(defaultStream::error_stream(),
"Debugging agents are not supported in this VM\n");
return JNI_ERR;
}
#endif // !INCLUDE_JVMTI
add_init_agent(name, options, is_absolute_path);
}
// -javaagent
} else if (match_option(option, "-javaagent:", &tail)) {
#if !INCLUDE_JVMTI
jio_fprintf(defaultStream::error_stream(),
"Instrumentation agents are not supported in this VM\n");
return JNI_ERR;
#else
if (tail != NULL) {
size_t length = strlen(tail) + 1;
char *options = NEW_C_HEAP_ARRAY(char, length, mtArguments);
jio_snprintf(options, length, "%s", tail);
add_init_agent("instrument", options, false);
// java agents need module java.instrument
if (!create_numbered_property("jdk.module.addmods", "java.instrument", addmods_count++)) {
return JNI_ENOMEM;
}
}
#endif // !INCLUDE_JVMTI
}
上面的代码片段截取自hotspot/src/share/vm/runtime/arguments.cpp中的 Arguments::parse_each_vm_init_arg(const JavaVMInitArgs* args, bool* patch_mod_javabase, Flag::Flags origin) 函数，该函数用来解析一个具体的JVM参数。这段代码的主要功能是解析出需要加载的Agent路径，然后调用add_init_agent函数进行解析结果的存储。下面先看一下add_init_agent函数的具体实现：
// -agentlib and -agentpath arguments
static AgentLibraryList _agentList;
static void add_init_agent(const char* name, char* options, bool absolute_path)
{ _agentList.add(new AgentLibrary(name, options, absolute_path, NULL)); }
AgentLibraryList是一个简单的链表结构，add_init_agent函数将解析好的、需要加载的Agent添加到这个链表中，等待后续的处理。
2.2.2 执行加载操作
// Launch -agentlib/-agentpath and converted -Xrun agents
if (Arguments::init_agents_at_startup()) {
create_vm_init_agents();
}
static bool init_agents_at_startup() {
return !_agentList.is_empty();
}
当JVM判断出上一小节中解析出来的Agent不为空的时候，就要去调用函数create_vm_init_agents来加载Agent，下面来分析一下create_vm_init_agents函数是如何加载Agent的。
void Threads::create_vm_init_agents() {
AgentLibrary* agent;
for (agent = Arguments::agents(); agent != NULL; agent = agent->next()) {
OnLoadEntry_t on_load_entry = lookup_agent_on_load(agent);
if (on_load_entry != NULL) {
// Invoke the Agent_OnLoad function
jint err = (*on_load_entry)(&main_vm, agent->options(), NULL);
}
}
}
create_vm_init_agents这个函数通过遍历Agent链表来逐个加载Agent。通过这段代码可以看出，首先通过lookup_agent_on_load来加载Agent并且找到Agent_OnLoad函数，这个函数是Agent的入口函数。如果没找到这个函数，则认为是加载了一个不合法的Agent，则什么也不做，否则调用这个函数，这样Agent的代码就开始执行起来了。对于使用Java Instrumentation API来编写Agent的方式来说，在解析阶段观察到在add_init_agent函数里面传递进去的是一个叫做"instrument"的字符串，其实这是一个动态链接库。在Linux里面，这个库叫做libinstrument.so，在BSD系统中叫做libinstrument.dylib，该动态链接库在{JAVA_HOME}/jre/lib/目录下。
2.2.3 Instrument动态链接库
JNIEXPORT jint JNICALL
DEF_Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *tail, void * reserved) {
initerror = createNewJPLISAgent(vm, &agent);
if ( initerror == JPLIS_INIT_ERROR_NONE ) {
if (parseArgumentTail(tail, &jarfile, &options) != 0) {
fprintf(stderr, "-javaagent: memory allocation failure.\n");
return JNI_ERR;
}
attributes = readAttributes(jarfile);
premainClass = getAttribute(attributes, "Premain-Class");
/* Save the jarfile name */
agent->mJarfile = jarfile;
/*
* Convert JAR attributes into agent capabilities
*/
convertCapabilityAttributes(attributes, agent);
/*
* Track (record) the agent class name and options data
*/
initerror = recordCommandLineData(agent, premainClass, options);
}
return result;
}
上述代码片段是经过精简的libinstrument中Agent_OnLoad实现的，大概的流程就是：先创建一个JPLISAgent，然后将ManiFest中设定的一些参数解析出来， 比如（Premain-Class）等。创建了JPLISAgent之后，调用initializeJPLISAgent对这个Agent进行初始化操作。跟进initializeJPLISAgent看一下是如何初始化的：
JPLISInitializationError initializeJPLISAgent(JPLISAgent *agent, JavaVM *vm, jvmtiEnv *jvmtienv) {
/* check what capabilities are available */
checkCapabilities(agent);
/* check phase - if live phase then we don't need the VMInit event */
jvmtierror = (*jvmtienv)->GetPhase(jvmtienv, &phase);
/* now turn on the VMInit event */
if ( jvmtierror == JVMTI_ERROR_NONE ) {
jvmtiEventCallbacks callbacks;
memset(&callbacks, 0, sizeof(callbacks));
callbacks.VMInit = &eventHandlerVMInit;
jvmtierror = (*jvmtienv)->SetEventCallbacks(jvmtienv,&callbacks,sizeof(callbacks));
}
if ( jvmtierror == JVMTI_ERROR_NONE ) {
jvmtierror = (*jvmtienv)->SetEventNotificationMode(jvmtienv,JVMTI_ENABLE,JVMTI_EVENT_VM_INIT,NULL);
}
return (jvmtierror == JVMTI_ERROR_NONE)? JPLIS_INIT_ERROR_NONE : JPLIS_INIT_ERROR_FAILURE;
}
这里，我们关注callbacks.VMInit = &eventHandlerVMInit;这行代码，这里设置了一个VMInit事件的回调函数，表示在JVM初始化的时候会回调eventHandlerVMInit函数。下面来看一下这个函数的实现细节，猜测就是在这里调用了Premain方法：
void JNICALL eventHandlerVMInit( jvmtiEnv *jvmtienv,JNIEnv *jnienv,jthread thread) {
// ...
success = processJavaStart( environment->mAgent, jnienv);
// ...
}
jboolean processJavaStart(JPLISAgent *agent,JNIEnv *jnienv) {
result = createInstrumentationImpl(jnienv, agent);
/*
* Load the Java agent, and call the premain.
*/
if ( result ) {
result = startJavaAgent(agent, jnienv, agent->mAgentClassName, agent->mOptionsString, agent->mPremainCaller);
}
return result;
}
jboolean startJavaAgent( JPLISAgent *agent,JNIEnv *jnienv,const char *classname,const char *optionsString,jmethodID agentMainMethod) {
// ...
invokeJavaAgentMainMethod(jnienv,agent->mInstrumentationImpl,agentMainMethod, classNameObject,optionsStringObject);
// ...
}
看到这里，Instrument已经实例化，invokeJavaAgentMainMethod这个方法将我们的Premain方法执行起来了。接着，我们就可以根据Instrument实例来做我们想要做的事情了。
2.3 运行时加载Agent
2.3.1 AttachListener
// Starts the Attach Listener thread
void AttachListener::init() {
// 创建线程相关部分代码被去掉了
const char thread_name[] = "Attach Listener";
Handle string = java_lang_String::create_from_str(thread_name, THREAD);
{ MutexLocker mu(Threads_lock);
JavaThread* listener_thread = new JavaThread(&attach_listener_thread_entry);
// ...
}
}
我们知道，一个线程启动之后都需要指定一个入口来执行代码，Attach Listener线程的入口是attach_listener_thread_entry，下面看一下这个函数的具体实现：
static void attach_listener_thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS) {
AttachListener::set_initialized();
for (;;) {
AttachOperation* op = AttachListener::dequeue();
// find the function to dispatch too
AttachOperationFunctionInfo* info = NULL;
for (int i=0; funcs[i].name != NULL; i++) {
const char* name = funcs[i].name;
if (strcmp(op->name(), name) == 0) {
info = &(funcs[i]); break;
}}
// dispatch to the function that implements this operation
res = (info->func)(op, &st);
//...
}
}
整个函数执行逻辑，大概是这样的：
拉取一个需要执行的任务：AttachListener::dequeue。
查询匹配的命令处理函数。
执行匹配到的命令执行函数。
其中第二步里面存在一个命令函数表，整个表如下：
static AttachOperationFunctionInfo funcs[] = {
{ "agentProperties", get_agent_properties },
{ "datadump", data_dump },
{ "dumpheap", dump_heap },
{ "load", load_agent },
{ "properties", get_system_properties },
{ "threaddump", thread_dump },
{ "inspectheap", heap_inspection },
{ "setflag", set_flag },
{ "printflag", print_flag },
{ "jcmd", jcmd },
{ NULL, NULL }
};
对于加载Agent来说，命令就是“load”。现在，我们知道了Attach Listener大概的工作模式，但是还是不太清楚任务从哪来，这个秘密就藏在AttachListener::dequeue这行代码里面，接下来我们来分析一下dequeue这个函数：
LinuxAttachOperation* LinuxAttachListener::dequeue() {
for (;;) {
// wait for client to connect
struct sockaddr addr;
socklen_t len = sizeof(addr);
RESTARTABLE(::accept(listener(), &addr, &len), s);
// get the credentials of the peer and check the effective uid/guid
// - check with jeff on this.
struct ucred cred_info;
socklen_t optlen = sizeof(cred_info);
if (::getsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_PEERCRED, (void*)&cred_info, &optlen) == -1) {
::close(s);
continue;
}
// peer credential look okay so we read the request
LinuxAttachOperation* op = read_request(s);
return op;
}
}
这是Linux上的实现，不同的操作系统实现方式不太一样。上面的代码表面，Attach Listener在某个端口监听着，通过accept来接收一个连接，然后从这个连接里面将请求读取出来，然后将请求包装成一个AttachOperation类型的对象，之后就会从表里查询对应的处理函数，然后进行处理。
// Start Attach Listener if +StartAttachListener or it can't be started lazily
if (!DisableAttachMechanism) {
AttachListener::vm_start();
if (StartAttachListener || AttachListener::init_at_startup()) {
AttachListener::init();
}
}
// Attach Listener is started lazily except in the case when
// +ReduseSignalUsage is used
bool AttachListener::init_at_startup() {
if (ReduceSignalUsage) {
return true;
} else {
return false;
}
}上面的代码截取自create_vm函数，DisableAttachMechanism、StartAttachListener和ReduceSignalUsage这三个变量默认都是false，所以AttachListener::init();这行代码不会在create_vm的时候执行，而vm_start会执行。下面来看一下这个函数的实现细节：
void AttachListener::vm_start() {
char fn[UNIX_PATH_MAX];
struct stat64 st;
int ret;
int n = snprintf(fn, UNIX_PATH_MAX, "%s/.java_pid%d",
os::get_temp_directory(), os::current_process_id());
assert(n < (int)UNIX_PATH_MAX, "java_pid file name buffer overflow");
RESTARTABLE(::stat64(fn, &st), ret);
if (ret == 0) {
ret = ::unlink(fn);
if (ret == -1) {
log_debug(attach)("Failed to remove stale attach pid file at %s", fn);
}
}
}
这是在Linux上的实现，是将/tmp/目录下的.java_pid{pid}文件删除，后面在创建Attach Listener线程的时候会创建出来这个文件。上面说到，AttachListener::init()这行代码不会在create_vm的时候执行，这行代码的实现已经在上文中分析了，就是创建Attach Listener线程，并监听其他JVM的命令请求。现在来分析一下这行代码是什么时候被调用的，也就是“懒加载”到底是怎么加载起来的。
// Signal Dispatcher needs to be started before VMInit event is posted
os::signal_init();
这是create_vm中的一段代码，看起来跟信号相关，其实Attach机制就是使用信号来实现“懒加载“的。下面我们来仔细地分析一下这个过程。
void os::signal_init() {
if (!ReduceSignalUsage) {
// Setup JavaThread for processing signals
EXCEPTION_MARK;
Klass* k = SystemDictionary::resolve_or_fail(vmSymbols::java_lang_Thread(), true, CHECK);
instanceKlassHandle klass (THREAD, k);
instanceHandle thread_oop = klass->allocate_instance_handle(CHECK);
const char thread_name[] = "Signal Dispatcher";
Handle string = java_lang_String::create_from_str(thread_name, CHECK);
// Initialize thread_oop to put it into the system threadGroup
Handle thread_group (THREAD, Universe::system_thread_group());
JavaValue result(T_VOID);
JavaCalls::call_special(&result, thread_oop,klass,vmSymbols::object_initializer_name(),vmSymbols::threadgroup_string_void_signature(),
thread_group,string,CHECK);
KlassHandle group(THREAD, SystemDictionary::ThreadGroup_klass());
JavaCalls::call_special(&result,thread_group,group,vmSymbols::add_method_name(),vmSymbols::thread_void_signature(),thread_oop,CHECK);
os::signal_init_pd();
{ MutexLocker mu(Threads_lock);
JavaThread* signal_thread = new JavaThread(&signal_thread_entry);
// ...
}
// Handle ^BREAK
os::signal(SIGBREAK, os::user_handler());
}
}
JVM创建了一个新的进程来实现信号处理，这个线程叫“Signal Dispatcher”，一个线程创建之后需要有一个入口，“Signal Dispatcher”的入口是signal_thread_entry：
这段代码截取自signal_thread_entry函数，截取中的内容是和Attach机制信号处理相关的代码。这段代码的意思是，当接收到“SIGBREAK”信号，就执行接下来的代码，这个信号是需要Attach到JVM上的信号发出来，这个后面会再分析。我们先来看一句关键的代码：AttachListener::is_init_trigger()：
bool AttachListener::is_init_trigger() {
if (init_at_startup() || is_initialized()) {
return false; // initialized at startup or already initialized
}
char fn[PATH_MAX+1];
sprintf(fn, ".attach_pid%d", os::current_process_id());
int ret;
struct stat64 st;
RESTARTABLE(::stat64(fn, &st), ret);
if (ret == -1) {
log_trace(attach)("Failed to find attach file: %s, trying alternate", fn);
snprintf(fn, sizeof(fn), "%s/.attach_pid%d", os::get_temp_directory(), os::current_process_id());
RESTARTABLE(::stat64(fn, &st), ret);
}
if (ret == 0) {
// simple check to avoid starting the attach mechanism when
// a bogus user creates the file
if (st.st_uid == geteuid()) {
init();
return true;
}
}
return false;
}
首先检查了一下是否在JVM启动时启动了Attach Listener，或者是否已经启动过。如果没有，才继续执行，在/tmp目录下创建一个叫做.attach_pid%d的文件，然后执行AttachListener的init函数，这个函数就是用来创建Attach Listener线程的函数，上面已经提到多次并进行了分析。到此，我们知道Attach机制的奥秘所在，也就是Attach Listener线程的创建依靠Signal Dispatcher线程，Signal Dispatcher是用来处理信号的线程，当Signal Dispatcher线程接收到“SIGBREAK”信号之后，就会执行初始化Attach Listener的工作。
2.3.2 运行时加载Agent的实现
public static VirtualMachine attach(String var0) throws AttachNotSupportedException, IOException {
if (var0 == null) {
throw new NullPointerException("id cannot be null");
} else {
List var1 = AttachProvider.providers();
if (var1.size() == 0) {
throw new AttachNotSupportedException("no providers installed");
} else {
AttachNotSupportedException var2 = null;
Iterator var3 = var1.iterator();
while(var3.hasNext()) {
AttachProvider var4 = (AttachProvider)var3.next();
try {
return var4.attachVirtualMachine(var0);
} catch (AttachNotSupportedException var6) {
var2 = var6;
}
}
throw var2;
}
}
}
这个方法通过attachVirtualMachine方法进行attach操作，在MacOS系统中，AttachProvider的实现类是BsdAttachProvider。我们来看一下BsdAttachProvider的attachVirtualMachine方法是如何实现的：
public VirtualMachine attachVirtualMachine(String var1) throws AttachNotSupportedException, IOException {
this.checkAttachPermission();
this.testAttachable(var1);
return new BsdVirtualMachine(this, var1);
}
BsdVirtualMachine(AttachProvider var1, String var2) throws AttachNotSupportedException, IOException {
int var3 = Integer.parseInt(var2);
this.path = this.findSocketFile(var3);
if (this.path == null) {
File var4 = new File(tmpdir, ".attach_pid" + var3);
createAttachFile(var4.getPath());
try {
sendQuitTo(var3);
int var5 = 0;
long var6 = 200L;
int var8 = (int)(this.attachTimeout() / var6);
do {
try {
Thread.sleep(var6);
} catch (InterruptedException var21) {
;
}
this.path = this.findSocketFile(var3);
++var5;
} while(var5 <= var8 && this.path == null);
} finally {
var4.delete();
}
}
int var24 = socket();
connect(var24, this.path);
}
private String findSocketFile(int var1) {
String var2 = ".java_pid" + var1;
File var3 = new File(tmpdir, var2);
return var3.exists() ? var3.getPath() : null;
}
findSocketFile方法用来查询目标JVM上是否已经启动了Attach Listener，它通过检查"tmp/"目录下是否存在java_pid{pid}来进行实现。如果已经存在了，则说明Attach机制已经准备就绪，可以接受客户端的命令了，这个时候客户端就可以通过connect连接到目标JVM进行命令的发送，比如可以发送“load”命令来加载Agent。如果java_pid{pid}文件还不存在，则需要通过sendQuitTo方法向目标JVM发送一个“SIGBREAK”信号，让它初始化Attach Listener线程并准备接受客户端连接。可以看到，发送了信号之后客户端会循环等待java_pid{pid}这个文件，之后再通过connect连接到目标JVM上。
2.3.3 load命令的实现
static jint load_agent(AttachOperation* op, outputStream* out) {
// get agent name and options
const char* agent = op->arg(0);
const char* absParam = op->arg(1);
const char* options = op->arg(2);
// If loading a java agent then need to ensure that the java.instrument module is loaded
if (strcmp(agent, "instrument") == 0) {
Thread* THREAD = Thread::current();
ResourceMark rm(THREAD);
HandleMark hm(THREAD);
JavaValue result(T_OBJECT);
Handle h_module_name = java_lang_String::create_from_str("java.instrument", THREAD);
JavaCalls::call_static(&result,SystemDictionary::module_Modules_klass(),vmSymbols::loadModule_name(),
vmSymbols::loadModule_signature(),h_module_name,THREAD);
}
return JvmtiExport::load_agent_library(agent, absParam, options, out);
}
这个函数先确保加载了java.instrument模块，之后真正执行Agent加载的函数是 load_agent_library ,这个函数的套路就是加载Agent动态链接库，如果是通过Java instrument API实现的Agent，则加载的是libinstrument动态链接库，然后通过libinstrument里面的代码实现运行agentmain方法的逻辑，这一部分内容和libinstrument实现premain方法运行的逻辑其实差不多，这里不再做分析。至此，我们对Java Agent技术已经有了一个全面而细致的了解。
3. 动态替换类字节码技术
3.1 动态字节码修改的限制
* The redefinition may change method bodies, the constant pool and attributes.
* The redefinition must not add, remove or rename fields or methods, change the
* signatures of methods, or change inheritance. These restrictions maybe be
* lifted in future versions. The class file bytes are not checked, verified and installed
* until after the transformations have been applied, if the resultant bytes are in
* error this method will throw an exception.
这里面提到，我们不可以增加、删除或者重命名字段和方法，改变方法的签名或者类的继承关系。认识到这一点很重要，当我们通过ASM获取到增强的字节码之后，如果增强后的字节码没有遵守这些规则，那么调用redefineClasses方法来进行类的重定义就会失败。那redefineClasses方法具体是怎么实现类的重定义的呢？它对运行时的JVM会造成什么样的影响呢？下面来分析redefineClasses的实现细节。
3.2 重定义类字节码的实现细节
public void redefineClasses(ClassDefinition... var1) throws ClassNotFoundException {
if (!this.isRedefineClassesSupported()) {
throw new UnsupportedOperationException("redefineClasses is not supported in this environment");
} else if (var1 == null) {
throw new NullPointerException("null passed as 'definitions' in redefineClasses");
} else {
for(int var2 = 0; var2 < var1.length; ++var2) {
if (var1[var2] == null) {
throw new NullPointerException("element of 'definitions' is null in redefineClasses");
}
}
if (var1.length != 0) {
this.redefineClasses0(this.mNativeAgent, var1);
}
}
}
private native void redefineClasses0(long var1, ClassDefinition[] var3) throws ClassNotFoundException;
这是InstrumentationImpl中的redefineClasses实现，该方法的具体实现依赖一个Native方法redefineClasses()，我们可以在libinstrument中找到这个Native方法的实现：
JNIEXPORT void JNICALL Java_sun_instrument_InstrumentationImpl_redefineClasses0
(JNIEnv * jnienv, jobject implThis, jlong agent, jobjectArray classDefinitions) {
redefineClasses(jnienv, (JPLISAgent*)(intptr_t)agent, classDefinitions);
}redefineClasses这个函数的实现比较复杂，代码很长。下面是一段关键的代码片段：
可以看到，其实是调用了JVMTI的RetransformClasses函数来完成类的重定义细节。
// class_count - pre-checked to be greater than or equal to 0
// class_definitions - pre-checked for NULL
jvmtiError JvmtiEnv::RedefineClasses(jint class_count, const jvmtiClassDefinition* class_definitions) {
//TODO: add locking
VM_RedefineClasses op(class_count, class_definitions, jvmti_class_load_kind_redefine);
VMThread::execute(&op);
return (op.check_error());
} /* end RedefineClasses */
重定义类的请求会被JVM包装成一个VM_RedefineClasses类型的VM_Operation，VM_Operation是JVM内部的一些操作的基类，包括GC操作等。VM_Operation由VMThread来执行，新的VM_Operation操作会被添加到VMThread的运行队列中去，VMThread会不断从队列里面拉取VM_Operation并调用其doit等函数执行具体的操作。VM_RedefineClasses函数的流程较为复杂，下面是VM_RedefineClasses的大致流程：
加载新的字节码，合并常量池，并且对新的字节码进行校验工作
// Load the caller's new class definition(s) into _scratch_classes.
// Constant pool merging work is done here as needed. Also calls
// compare_and_normalize_class_versions() to verify the class
// definition(s).
jvmtiError load_new_class_versions(TRAPS);
清除方法上的断点
// Remove all breakpoints in methods of this class
JvmtiBreakpoints& jvmti_breakpoints = JvmtiCurrentBreakpoints::get_jvmti_breakpoints();
jvmti_breakpoints.clearall_in_class_at_safepoint(the_class());
JIT逆优化
// Deoptimize all compiled code that depends on this class
flush_dependent_code(the_class, THREAD);
进行字节码替换工作，需要进行更新类itable/vtable等操作 进行类重定义通知
SystemDictionary::notice_modification();
4. Java-debug-tool设计与实现
Java-debug-tool是一个使用Java Instrument API来实现的动态调试工具，它通过在目标JVM上启动一个TcpServer来和调试客户端通信。调试客户端通过命令行来发送调试命令给TcpServer，TcpServer中有专门用来处理命令的handler，handler处理完命令之后会将结果发送回客户端，客户端通过处理将调试结果展示出来。下面将详细介绍Java-debug-tool的整体设计和实现。
4.1 Java-debug-tool整体架构
图4-1-1
交互层：负责将程序员的输入转换成调试交互协议，并且将调试信息呈现出来。
连接管理层：负责管理客户端连接，从连接中读调试协议数据并解码，对调试结果编码并将其写到连接中去；同时将那些超时未活动的连接关闭。
业务逻辑层：实现调试命令处理，包括命令分发、数据收集、数据处理等过程。
基础实现层：Java-debug-tool实现的底层依赖，通过Java Instrumentation提供的API进行类查找、类重定义等能力，Java Instrumentation底层依赖JVMTI来完成具体的功能。
4.2 Java-debug-tool的字节码增强方案
方法进入点：用于获取方法入参信息。
Fields获取点1：在方法执行前获取到对象的字段信息。
变量存储点：获取局部变量信息。
Fields获取点2：在方法退出前获取到对象的字段信息。
方法退出点：用于获取方法返回值。
抛出异常点：用于获取方法抛出的异常信息。
4.2.1 字节码增强
Java-debug-tool在实现上使用了ASM工具来进行字节码增强，并且每个插桩点都可以进行配置，如果不想要什么信息，则没必要进行对应的插桩操作。这种可配置的设计是非常有必要的，因为有时候我们仅仅是想要知道方法的入参和出参，但Java-debug-tool却给我们返回了所有的调试信息，这样我们就得在众多的输出中找到我们所关注的内容。如果可以进行配置，则除了入参点和出参点外其他的桩都不插，那么就可以快速看到我们想要的调试数据，这种设计的本质是为了让调试者更加专注。下面是Java-debug-tool的字节码增强工作方式：
4.2.2 Advice的工作方式
4.3 Java-debug-tool的命令设计与实现
4.3.1 命令执行
上文已经完整的描述了Java-debug-tool的设计以及核心技术方案，本小节将详细介绍Java-debug-tool的命令设计与实现。首先需要将一个调试命令的执行流程描述清楚，下面是一张用来表示命令请求处理流程的图片：
4.3.4 获取方法执行视图
正在调试的方法信息。
方法调用堆栈。
调试耗时，包括对目标JVM造成的STW时间。
方法入参，包括入参的类型及参数值。
方法的执行路径。
代码执行耗时。
局部变量信息。
方法返回结果。
方法抛出的异常。
对象字段值快照。
图4-3-2展示了Java-debug-tool获取到正在运行的方法的执行视图的信息。
4.4 Java-debug-tool与同类产品对比分析
5. 总结
6. 参考文献
ASM 4 guide
Java Virtual Machine Specification
JVM Tool Interface
alibaba arthas
openjdk
7. 作者简介
胡健，美团到店餐饮研发中心研发工程师。
END
如何用思维导图学Java虚拟机
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