字节码编程，Javassist篇四《通过字节码插桩监控方法采集运行时入参出参和异常信息》
作者：小傅哥
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一、前言
字节码编程插桩这种技术常与 Javaagent 技术结合用在系统的非入侵监控中，这样就可以替代在方法中进行硬编码操作。比如，你需要监控一个方法，包括；方法信息、执行耗时、出入参数、执行链路以及异常等。那么就非常适合使用这样的技术手段进行处理。
为了能让这部分最核心的内容体现出来，本文会只使用 Javassist 技术对一段方法字节码进行插桩操作，最终输出这段方法的执行信息，如下；
方法 - 测试方法用于后续进行字节码增强操作
public Integer strToInt(String str01, String str02) {
return Integer.parseInt(str01);
}
监控 - 对一段方法进行字节码增强后，输出监控信息
监控 - Begin
方法：org.itstack.demo.javassist.ApiTest.strToInt
入参：["str01","str02"] 入参[类型]：["java.lang.String","java.lang.String"] 入数[值]：["1","2"]
出参：java.lang.Integer 出参[值]：1
耗时：59(s)
监控 - End
有了这样的监控方案，基本我们可以输出方法执行过程中的全部信息。再通过后期的完善将监控信息展示到界面，实时报警。既提升了系统的监控质量，也方便了研发排查并定位问题。
好！那么接下来我们开始一步步使用 javassist 进行字节码插桩，已达到我们的监控效果。
二、开发环境
- JDK 1.8.0
- javassist 3.12.1.GA
- 本章涉及源码在：
itstack-demo-bytecode-1-04，可以关注公众号：bugstack虫洞栈，回复源码下载获取。你会获得一个下载链接列表，打开后里面的第17个「因为我有好多开源代码」，记得给个Star！
三、技术实现
1. 获取方法基础信息
1.1 获取类
ClassPool pool = ClassPool.getDefault();
// 获取类
CtClass ctClass = pool.get(org.itstack.demo.javassist.ApiTest.class.getName());
ctClass.replaceClassName("ApiTest", "ApiTest02");
String clazzName = ctClass.getName();
通过类名获取类的信息，同时这里可以把类名进行替换。它也包括类里面一些其他获取属性的操作，比如；ctClass.getSimpleName()、ctClass.getAnnotations() 等。
1.2 获取方法
CtMethod ctMethod = ctClass.getDeclaredMethod("strToInt");
String methodName = ctMethod.getName();
通过 getDeclaredMethod 获取方法的 CtMethod 的内容。之后就可以获取方法的名称等信息。
1.3 方法信息
MethodInfo methodInfo = ctMethod.getMethodInfo();
MethodInfo 中包括了方法的信息；名称、类型等内容。
1.4 方法类型
boolean isStatic = (methodInfo.getAccessFlags() & AccessFlag.STATIC) != 0;
通过 methodInfo.getAccessFlags() 获取方法的标识，之后通过 与运算，AccessFlag.STATIC，判断方法是否为静态方法。因为静态方法会影响后续的参数名称获取，静态方法第一个参数是 this ，需要排除。
1.5 方法：入参信息
CodeAttribute codeAttribute = methodInfo.getCodeAttribute();
LocalVariableAttribute attr = (LocalVariableAttribute) codeAttribute.getAttribute(LocalVariableAttribute.tag);
CtClass[] parameterTypes = ctMethod.getParameterTypes();
- LocalVariableAttribute，获取方法的入参的名称。
- parameterTypes，获取方法入参的类型。
1.6 方法；出参信息
CtClass returnType = ctMethod.getReturnType();
String returnTypeName = returnType.getName();
对于方法的出参信息，只需要获取出参类型。
1.7 输出所有获取的信息
System.out.println("类名：" + clazzName);
System.out.println("方法：" + methodName);
System.out.println("类型：" + (isStatic ? "静态方法" : "非静态方法"));
System.out.println("描述：" + methodInfo.getDescriptor());
System.out.println("入参[名称]：" + attr.variableName(1) + "，" + attr.variableName(2));
System.out.println("入参[类型]：" + parameterTypes[0].getName() + "，" + parameterTypes[1].getName());
System.out.println("出参[类型]：" + returnTypeName);
输出结果
类名：org.itstack.demo.javassist.ApiTest
方法：strToInt
类型：非静态方法
描述：(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Integer;
入参[名称]：str01，str02
入参[类型]：java.lang.String，java.lang.String
出参[类型]：java.lang.Integer
以上，所输出信息，都在为监控方法在做准备。从上面可以记录方法的基本描述以及入参个数等。尤其是入参个数，因为在后续还需要使用 $1，来获取没有给入参的值。
2. 方法字节码插桩
一段需会被字节码插桩改变的原始方法；
public class ApiTest {
public Integer strToInt(String str01, String str02) {
return Integer.parseInt(str01);
}
}
2.1 先给基础属性打标
在监控的适合，不可能每一次调用都把所有方法信息汇总输出出来。这样做不只是性能问题，而是这些都是固定不变的信息，没有必要让每一次方法执行都输出。
好！那么在方法编译时候，给每一个方法都生成一个唯一ID，用ID关联上方法的固定信息。也就可以把监控数据通过ID传递到外面。
// 方法：生成方法唯一标识ID
int idx = Monitor.generateMethodId(clazzName, methodName, parameterNameList, parameterTypeList, returnTypeName);
生成ID的过程
public static final int MAX_NUM = 1024 * 32;
private final static AtomicInteger index = new AtomicInteger(0);
private final static AtomicReferenceArray<MethodDescription> methodTagArr = new AtomicReferenceArray<>(MAX_NUM);
public static int generateMethodId(String clazzName, String methodName, List<String> parameterNameList, List<String> parameterTypeList, String returnType) {
MethodDescription methodDescription = new MethodDescription();
methodDescription.setClazzName(clazzName);
methodDescription.setMethodName(methodName);
methodDescription.setParameterNameList(parameterNameList);
methodDescription.setParameterTypeList(parameterTypeList);
methodDescription.setReturnType(returnType);
int methodId = index.getAndIncrement();
if (methodId > MAX_NUM) return -1;
methodTagArr.set(methodId, methodDescription);
return methodId;
}
2.2 字节码插桩添加进入方法时间
// 定义属性
ctMethod.addLocalVariable("startNanos", CtClass.longType);
// 方法前加强
ctMethod.insertBefore("{ startNanos = System.nanoTime(); }");
- 定义一个
long类型的属性，startNanos。并通过insertBefore插入到方法内容的开始处。
最终 class 类方法
public class ApiTest {
public Integer strToInt(String str01, String str02) {
long startNanos = System.nanoTime();
return Integer.parseInt(str01);
}
}
- 此时已经有了一个方法的开始时间，有了开始时间在加上后续的结尾时间。就可以很方便的统计一个方法的执行耗时。
2.3 字节码插桩添加入参输出
// 定义属性
ctMethod.addLocalVariable("parameterValues", pool.get(Object[].class.getName()));
// 方法前加强
ctMethod.insertBefore("{ parameterValues = new Object[]{" + parameters.toString() + "}; }");
- 这里定义一个数组类型的属性，
Object[]，用于记录入参信息。
最终 class 类方法
public Integer strToInt(String str01, String str02) {
Object[] var10000 = new Object[]{str01, str02};
long startNanos = System.nanoTime();
return Integer.parseInt(str01);
}
- 两个参数可以通过一条
insertBefore进行插入，这里是为了更加清晰的向你展示字节码插桩的过程。现在我们就有了进入方法的时间和参数集合，方便后续输出。
2.4 定义监控方法
因为我们需要将监控信息，输出给外部。那么我们这里会定义一个静态方法，让字节码增强后的方法去调用，输出监控信息。
public static void point(final int methodId, final long startNanos, Object[] parameterValues, Object returnValues) {
MethodDescription method = methodTagArr.get(methodId);
System.out.println("监控 - Begin");
System.out.println("方法：" + method.getClazzName() + "." + method.getMethodName());
System.out.println("入参：" + JSON.toJSONString(method.getParameterNameList()) + " 入参[类型]：" + JSON.toJSONString(method.getParameterTypeList()) + " 入数[值]：" + JSON.toJSONString(parameterValues));
System.out.println("出参：" + method.getReturnType() + " 出参[值]：" + JSON.toJSONString(returnValues));
System.out.println("耗时：" + (System.nanoTime() - startNanos) / 1000000 + "(s)");
System.out.println("监控 - End\r\n");
}
public static void point(final int methodId, Throwable throwable) {
MethodDescription method = methodTagArr.get(methodId);
System.out.println("监控 - Begin");
System.out.println("方法：" + method.getClazzName() + "." + method.getMethodName());
System.out.println("异常：" + throwable.getMessage());
System.out.println("监控 - End\r\n");
}
- 这里一共有两个方法，一个用于记录正常情况下的监控信息。另外一个用于记录异常时候的信息。如果是实际的业务场景中，就可以通过这样的方法使用
MQ将监控信息发送给服务端记录起来并做展示。
2.5 字节码插桩调用监控方法
// 方法后加强
ctMethod.insertAfter("{ org.itstack.demo.javassist.Monitor.point(" + idx + ", startNanos, parameterValues, $_);}", false); // 如果返回类型非对象类型，$_ 需要进行类型转换
- 这里通过静态方法将监控参数传递给外部；
idx、startNanos、parameterValues、$_出参值
最终 class 类方法
public Integer strToInt(String str01, String str02) {
Object[] parameterValues = new Object[]{str01, str02};
long startNanos = System.nanoTime();
Integer var7 = Integer.parseInt(str01);
Monitor.point(0, startNanos, parameterValues, var7);
return var7;
}
- 现在已经可以将基本的监控信息传递给外部。对于一个普通的监控，如果不需要追踪链路，基本已经可以满足需求了。
2.6 字节码插桩给方法添加TryCatch
以上插桩内容，如果只是正常调用还是没问题的。但是如果方法抛出异常，那么这个时候就不能做到收集监控信息了。所以还需要给方法添加上 TryCatch。
// 方法；添加TryCatch
ctMethod.addCatch("{ org.itstack.demo.javassist.Monitor.point(" + idx + ", $e); throw $e; }", ClassPool.getDefault().get("java.lang.Exception")); // 添加异常捕获
- 这里通过
addCatch将方法包装在TryCatch里面。 - 再通过在
catch中调用外部方法，将异常信息输出。 - 同时有一个点需要注意，
$e，用于获取抛出异常的内容。
最终 class 类方法
public Integer strToInt(String str01, String str02) {
try {
Object[] parameterValues = new Object[]{str01, str02};
long startNanos = System.nanoTime();
Integer var7 = Integer.parseInt(str01);
Monitor.point(0, startNanos, parameterValues, var7);
return var7;
} catch (Exception var9) {
Monitor.point(0, var9);
throw var9;
}
}
- 那么现在就可以非常完整的
收录方法执行的信息，包括它的正常执行以及异常情况。
四、测试结果
接下来就是执行我们的调用测试被修改后的方法字节码。通过不同的入参，来验证监控结果；
// 测试调用
byte[] bytes = ctClass.toBytecode();
Class<?> clazzNew = new GenerateClazzMethod().defineClass("org.itstack.demo.javassist.ApiTest", bytes, 0, bytes.length);
// 反射获取 main 方法
Method method = clazzNew.getMethod("strToInt", String.class, String.class);
Object obj_01 = method.invoke(clazzNew.newInstance(), "1", "2");
System.out.println("正确入参：" + obj_01);
Object obj_02 = method.invoke(clazzNew.newInstance(), "a", "b");
System.out.println("异常入参：" + obj_02);
- 这里首先会使用
ClassLoader加载字节码，之后生成新的类。 - 接下来通过获取方法并传入正确和错误的入参。
测试结果
监控 - Begin
方法：org.itstack.demo.javassist.ApiTest.strToInt
入参：["str01","str02"] 入参[类型]：["java.lang.String","java.lang.String"] 入数[值]：["1","2"]
出参：java.lang.Integer 出参[值]：1
耗时：63(s)
监控 - End
正确入参：1
监控 - Begin
方法：org.itstack.demo.javassist.ApiTest.strToInt
异常：For input string: "a"
监控 - End
- 截至到这我们已经将监控中最核心之一展示出来了，也就是监控方法的全部信息。后续就是需要将这样的监控信息填充到统一监控中心，进行做展示相关的计算操作。
五、总结
-
基于
Javassist字节码操作框架可以非常方便的去进行字节码增强，也不需要考虑纯字节码编程下的指令码控制。但如果考虑性能以及更加细致的改变，还是需要使用到ASM。 -
这里包括一些字节码操作的知识点，如下；
methodInfo.getDescriptor()，可以输出方法描述信息。(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Integer;，其实就是方法的出入参和返回值。$1 $2 ...用于获取不同位置的参数。$$可以获取全部入参，但是不太适合用在数值传递中。- 获取方法的入参需要判断方法的类型，静态类型的方法还包含了
this参数。AccessFlag.STATIC。 addCatch最开始执行就包裹原有方法内的内容，最后执行就包括所有内容。它依赖于顺序操作，其他的方法也是这样；insertBefore、insertAfter。
公众号：bugstack虫洞栈 | 作者小傅哥多年从事一线互联网 Java 开发的学习历程技术汇总，旨在为大家提供一个清晰详细的学习教程，侧重点更倾向编写Java核心内容。如果能为您提供帮助，请给予支持(关注、点赞、分享)！
