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Android JVM TI机制详解（内含福利彩蛋）

Android JVM TI机制详解（内含福利彩蛋）-极客时间

Android JVM TI机制详解（内含福利彩蛋）

2018-12-25 孙鹏飞 来自北京
《Android开发高手课》
课程介绍

讲述：冯永吉

时长01:45大小1.60M

你好，我是孙鹏飞。
在专栏卡顿优化的分析中，绍文提到可以利用 JVM TI 机制获得更加非常丰富的顿现场信息，包括内存申请、线程创建、类加载、GC 信息等。
JVM TI 机制究竟是什么？它为什么如此的强大？怎么样将它应用到我们的工作中？今天我们一起来解开它神秘的面纱。

JVM TI 介绍

JVM TI 全名是Java Virtual Machine Tool Interface，是开发虚拟机监控工具使用的编程接口，它可以监控 JVM 内部事件的执行，也可以控制 JVM 的某些行为，可以实现调试、监控、线程分析、覆盖率分析工具等。
JVM TI 属于Java Platform Debugger Architecture中的一员，在 Debugger Architecture 上 JVM TI 可以算作一个 back-end，通过 JDWP 和 front-end JDI 去做交互。需要注意的是，Android 内的 JDWP 并不是基于 JVM TI 开发的。
从 Java SE 5 开始，Java 平台调试体系就使用 JVM TI 替代了之前的 JVMPI 和 JVMDI。如果你对这部分背景还不熟悉，强烈推荐先阅读下面这几篇文章：
深入 Java 调试体系：第 1 部分，JPDA 体系概览
深入 Java 调试体系：第 2 部分，JVMTI 和 Agent 实现
深入 Java 调试体系：第 3 部分，JDWP 协议及实现
深入 Java 调试体系：第 4 部分，Java 调试接口（JDI）
虽然 Java 已经使用了 JVM TI 很多年，但从源码上看在 Android 8.0 才集成了 JVM TI v1.2，主要是需要在 Runtime 中支持修改内存中的 Dex 和监控全局的事件。有了 JVM TI 的支持，我们可以实现很多调试工具没有实现的功能，或者定制我们自己的 Debug 工具来获取我们关心的数据。
现阶段已经有工具使用 JVM TI 技术，比如 Android Studio 的 Profilo 工具和 Linkedin 的dexmaker-mockito-inline工具。Android Studio 使用 JVM TI 机制实现了实时的内存监控，对象分配切片、GC 事件、Memory Alloc Diff 功能，非常强大；dexmaker 使用该机制实现 Mock final methods 和 static methods。
1. JVM TI 支持的功能
在介绍 JVM TI 的实现原理之前，我们先来看一下 JVM TI 提供了什么功能？我们可以利用这些功能做些什么？
线程相关事件 -> 监控线程创建堆栈、锁信息
ThreadStart ：线程在执行方法前产生线程启动事件。
ThreadEnd：线程结束事件。
MonitorWait：wait 方法调用后。
MonitorWaited：wait 方法完成等待。
MonitorContendedEnter：当线程试图获取一个已经被其他线程持有的对象锁时。
MonitorContendedEntered：当线程获取到对象锁继续执行时。
类加载准备事件 -> 监控类加载
ClassFileLoadHook：在类加载之前触发。
ClassLoad：某个类首次被加载。
ClassPrepare：某个类的准备阶段完成。
异常事件 -> 监控异常信息
Exception：有异常抛出的时候。
ExceptionCatch：当捕获到一个异常时候。
调试相关
SingleStep：步进事件，可以实现相当细粒度的字节码执行序列，这个功能可以探查多线程下的字节码执行序列。
Breakpoint：当线程执行到一个带断点的位置，断点可以通过 JVMTI SetBreakpoint 方法来设置。
方法执行
FramePop：当方法执行到 retrun 指令或者出现异常时候产生，手动调用 NofityFramePop JVM TI 函数也可产生该事件。
MethodEntry：当开始执行一个 Java 方法的时候。
MethodExit：当方法执行完成后，产生异常退出时。
FieldAccess：当访问了设置了观察点的属性时产生事件，观察点使用 SetFieldAccessWatch 函数设置。
FieldModification：当设置了观察点的属性值被修改后，观察点使用 SetFieldModificationWatch 设置。
GC -> 监控 GC 事件与时间
GarbageCollectionStart：GC 启动时。
GarbageCollectionFinish：GC 结束后。
对象事件 -> 监控内存分配
ObjectFree：GC 释放一个对象时。
VMObjectAlloc：虚拟机分配一个对象的时候。
其他
NativeMethodBind：在首次调用本地方法时或者调用 JNI RegisterNatives 的时候产生该事件，通过该回调可以将一个 JNI 调用切换到指定的方法上。
通过上面的事件描述可以大概了解到 JVM TI 支持什么功能，详细的回调函数参数可以从 JVM TI规范文档里获取到，我们可以通过这些功能实们定制的性能监控、数据采集、行为修改等工具。
2. JVM TI 实现原理
JVM TI Agent 的启动需要虚拟机的支持，我们的 Agent 和虚拟机运行在同一个进程中，虚拟机通过 dlopen 打开我们的 Agent 动态链接库，然后通过 Agent_OnAttach 方法来调用我们定义的初始化逻辑。
JVM TI 的原理其实很简单，以 VmObjectAlloc 事件为例，当我们通过 SetEventNotificationMode 函数设置 JVMTI_EVENT_VM_OBJECT_ALLOC 回调的时候，最终会调用到 art::Runtime::Current() -> GetHeap() -> SetAllocationListener(listener);
在这个方法中，listener 是 JVM TI 实现的一个虚拟机提供的 art::gc::AllocationListener 回调，当虚拟机分配对象内存的时候会调用该回调，源码可见heap-inl.h#194，同时在该回调函数里也会调用我们之前设置的 callback 方法，这样事件和相关的数据就会透传到我们的 Agent 里，来实现完成事件的监听。
类似 atrace 和 StrictMode，JVM TI 的每个事件都需要在源码中埋点支持。感兴趣的同学，可以挑选一些事件在源码中进一步跟踪。

JVM TI Agent 开发

JVM TI Agent 程序使用 C/C++ 语言开发，也可以使用其他支持 C 语言调用语言开发，比如 Rust。
JVM TI 所涉及的常量、函数、事件、数据类型都定义在 jvmti.h 文件中，我们需要下载该文件到项目中引用使用，你可以从 Android 项目里下载它的头文件。
JVM TI Agent 的产出是一个 so 文件，在 Android 里通过系统提供的Debug.attachJvmtiAgent方法来启动一个 JVM TI Agent 程序。
static fun attachJvmtiAgent(library: String, options: String?, classLoader: ClassLoader?): Unit
library 是 so 文件的绝对地址。需要注意的是 API Level 为 28，而且需要应用开启了android:debuggable才可以使用，不过我们可以通过强制开启 debug 来在 release 版里启动 JVM TI 功能。
Android 下的 JVM TI Agent 在被虚拟机加载后会及时调用 Agent_OnAttach 方法，这个方法可以当作是 Agent 程序的 main 函数，所以我们需要在程序里实现下面的函数。
extern "C" JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnAttach(JavaVM *vm, char *options,void *reserved)
你可以在这个方法里进行初始化操作。
通过 JavaVM::GetEnv 函数拿到 jvmtiEnv* 环境指针（Environment Pointer），通过该指针可以访问 JVM TI 提供的函数。
jvmtiEnv *jvmti_env;jint result = vm->GetEnv((void **) &jvmti_env, JVMTI_VERSION_1_2);
通过 AddCapabilities 函数来开启需要的功能，也可以通过下面的方法开启所有的功能，不过开启所有的功能对虚拟机的性能有所影响。
void SetAllCapabilities(jvmtiEnv *jvmti) {
jvmtiCapabilities caps;
jvmtiError error;
error = jvmti->GetPotentialCapabilities(&caps);
error = jvmti->AddCapabilities(&caps);
}
GetPotentialCapabilities 函数可以获取当前环境支持的功能集合，通过 jvmtiCapabilities 结构体返回，该结构体里标明了支持的所有功能，可以通过jvmti.h来查看，大概内容如下。
typedef struct {
unsigned int can_tag_objects : 1;
unsigned int can_generate_field_modification_events : 1;
unsigned int can_generate_field_access_events : 1;
unsigned int can_get_bytecodes : 1;
unsigned int can_get_synthetic_attribute : 1;
unsigned int can_get_owned_monitor_info : 1;
......
} jvmtiCapabilities;
然后通过 AddCapabilities 方法来启动需要的功能，如果需要单独添加功能，则可以通过如下方法。
jvmtiCapabilities caps;
memset(&caps, 0, sizeof(caps));
caps.can_tag_objects = 1;
到此 JVM TI 的初始化操作就已经完成了。
所有的函数和数据结构类型说明可以在这里找到。下面我来介绍一些常用的功能和函数。
1. JVM TI 事件监控
JVM TI 的一大功能就是可以收到虚拟机执行时候的各种事件通知。
首先通过 SetEventCallbacks 方法来设置目标事件的回调函数，如果 callbacks 传入 nullptr 则清除掉所有的回调函数。
jvmtiEventCallbacks callbacks;
memset(&callbacks, 0, sizeof(callbacks));
callbacks.GarbageCollectionStart = &GCStartCallback;
callbacks.GarbageCollectionFinish = &GCFinishCallback;
int error = jvmti_env->SetEventCallbacks(&callbacks, sizeof(callbacks));
设置了回调函数后，如果要收到目标事件的话需要通过 SetEventNotificationMode，这个函数有个需要注意的地方是 event_thread，如果参数 event_thread 参数为 nullptr，则会全局启用改目标事件回调，否则只在指定的线程内生效，比如很多时候对于一些事件我们只关心主线程。
jvmtiError SetEventNotificationMode(jvmtiEventMode mode,
jvmtiEvent event_type,
jthread event_thread,
...);
typedef enum {
JVMTI_ENABLE = 1,//开启
JVMTI_DISABLE = 0 .//关闭
} jvmtiEventMode;
以上面的 GC 事件为例，上面设置了 GC 事件的回调函数，如果想要在回调方法里接收到事件则需要使用 SetEventNotificationMode 开启事件，需要说明的是 SetEventNotificationMode 和 SetEventCallbacks 方法调用没有先后顺序。
jvmti->SetEventNotificationMode(JVMTI_ENABLE, JVMTI_EVENT_GARBAGE_COLLECTION_START, nullptr);
jvmti->SetEventNotificationMode(JVMTI_ENABLE, JVMTI_EVENT_GARBAGE_COLLECTION_FINISH, nullptr);
通过上面的步骤就可以在虚拟机产生 GC 事件后在回调函数里获取到对应的函数了，这个 Sample 需要注意的是在 gc callback 里禁止使用 JNI 和 JVM TI 函数，因为虚拟机处于停止状态。
void GCStartCallback(jvmtiEnv *jvmti) {
LOGI("==========触发 GCStart=======");
}
void GCFinishCallback(jvmtiEnv *jvmti) {
LOGI("==========触发 GCFinish=======");
}
Sample 效果如下。
com.dodola.jvmti I/jvmti: ==========触发 GCStart=======
com.dodola.jvmti I/jvmti: ==========触发 GCFinish=======
2. JVM TI 字节码增强
JVM TI 可以在虚拟机运行的状态下对字节码进行修改，可以通过下面三种方式修改字节码。
Static：在虚拟机加载 Class 文件之前，对字节码修改。该方式一般不采用。
Load-Time：在虚拟机加载某个 Class 时，可以通过 JVM TI 回调拿到该类的字节码，会触发 ClassFileLoadHook 回调函数，该方法由于 ClassLoader 机制只会触发一次，由于我们 Attach Agent 的时候经常是在虚拟机执行一段时间之后，所以并不能修改已经加载的 Class 比如 Object，所以需要根据 Class 的加载时机选择该方法。
Dynamic：对于已经载入的 Class 文件也可以通过 JVM TI 机制修改，当系统调用函数 RetransformClasses 时会触发 ClassFileLoadHook，此时可以对字节码进行修改，该方法最为实用。
传统的 JVM 操作的是 Java Bytecode，Android 里的字节码操作的是Dalvik Bytecode，Dalvik Bytecode 是寄存器实现的，操作起来相对 JavaBytecode 来说要相对容易一些，可以不用处理本地变量和操作数栈的交互。
使用这个功能需要开启 JVM TI 字节码增强功能。
jvmtiCapabilities.can_generate_all_class_hook_events=1 //开启 class hook 功能标记
jvmtiCapabilities.can_retransform_any_class=1 //开启对任意类进行 retransform 操作
然后注册 ClassFileLoadHook 事件回调。
jvmtiEventCallbacks callbacks;s
callbacks.ClassFileLoadHook = &ClassTransform;
这里说明一下 ClassFileLoadHook 的函数原型，后面会讲解如何重新修改现有字节码。
static void ClassTransform(
jvmtiEnv *jvmti_env,//jvmtiEnv 环境指针
JNIEnv *env,//jniEnv 环境指针
jclass classBeingRedefined,//被重新定义的class 信息
jobject loader,//加载该 class 的 classloader，如果该项为 nullptr 则说明是 BootClassLoader 加载的
const char *name,//目标类的限定名
jobject protectionDomain,//载入类的保护域
jint classDataLen,//class 字节码的长度
const unsigned char *classData,//class 字节码的数据
jint *newClassDataLen,//新的类数据的长度
unsigned char **newClassData) //新类的字节码数据
然后开启事件，完整的初始化逻辑可参考 Sample 中的代码。
SetEventNotificationMode(JVMTI_ENABLE, JVMTI_EVENT_CLASS_FILE_LOAD_HOOK, NULL)
下面以 Sample 代码作为示例来讲解如何在 Activity 类的 onCreate 方法中插入一行日志调用代码。
通过上面的步骤后就可以在虚拟机第一次加载类的时候和在调用 RetransformClasses 或者 RedefineClasses 时，在 ClassFileLoadHook 回调方法里会接收到事件回调。我们目标类是 Activity，它在启动应用的时候就已经触发了类加载的过程，由于这个 Sample 开启事件的时机很靠后，所以此时并不会收到加载 Activity 类的事件回调，所以需要调用 RetransformClasses 来触发事件回调，这个方法用于对已经载入的类进行修改，传入一个要修改类的 Class 数组和数组长度。
jvmtiError RetransformClasses(jint class_count, const jclass* classes)
调用该方法后会在 ClassFileLoadHook 设置的回调，也就是上面的 ClassTran sform 方法中接收到回调，在这个回调方法中我们通过字节码处理工具来修改原始类的字节码。
类的修改会触发虚拟机使用新的方法，旧的方法将不再被调用，如果有一个方法正在栈帧上，则这个方法会继续运行旧的方法的字节码。RetransformClasses 的修改不会导致类的初始化，也就是不会重新调用方法，类的静态变量的值和实例变量的值不会产生变化，但目标类的断点会失效。
处理类有一些限制，我们可以改变方法的实现和属性，但不能添加删除重命名方法，不能改变方法签名、参数、修饰符，不能改变类的继承关系，如果产生上面的行为会导致修改失败。修改之后会触发类的校验，而且如果虚拟机里有多个相同的 Class ，我们需要注意一下取到的 Class 需要是当前生效的 Class，按照 ClassLoader 加载机制也就是说优先使用提前加载的类。
Sample 中实现的效果是在 Activity.onCreate 方法中增加一行日志输出。
修改前：
protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
.......
}
修改后：
protected void onCreate(@Nullable Bundle savedInstanceState) {
com.dodola.jvmtilib.JVMTIHelper.printEnter(this,"....");
....
}
我使用的 Dalvik 字节码修改库是 Android 系统源码里提供的一套修改框架dexter，虽然使用起来十分灵活但比较繁琐，也可以使用dexmaker框架来实现。本例还是使用 dexter，框架使用 C++ 开发，可以直接读取 classdata 然后进行操作，可以类比到 ASM 框架。下面的代码是核心的操作代码，完整的代码参考本期 Sample。
ir::Type* stringT = b.GetType("Ljava/lang/String;");
ir::Type* jvmtiHelperT=b.GetType("Lcom/dodola/jvmtilib/JVMTIHelper;");
lir::Instruction *fi = *(c.instructions.begin());
VReg* v0 = c.Alloc<VReg>(0);
addInstr(c, fi, OP_CONST_STRING,
{v0, c.Alloc<String>(methodDesc, methodDesc->orig_index)});
addCall(b, c, fi, OP_INVOKE_STATIC, jvmtiHelperT, "printEnter", voidT, {stringT}, {0});
c.Assemble();
必须通过 JVM TI 函数 Allocate 为要修改的类数据分配内存，将 new_class_data 指向修改后的类 bytecode 数组，将 new_class_data_len 置为修改后的类 bytecode 数组的长度。若是不修改类文件，则不设置 new_class_data 即可。若是加载了多个 JVM TI Agent 都启用了该事件，则设置的 new_class_data 会成为下一个 JVM TI Agent 的 class_data。
此时我们生成的 onCreate 方法里已经加上了我们添加的日志方法调用。开启新的 Activity 会使用新的类字节码执行，同时会使用 ClassLoader 加载我们注入的 com.dodola.jvmtilib.JVMTIHelper 类。我在前面说过，Activity 是使用 BootClassLoader 进行加载的，然而我们的类明显不在 BootClassLoader 里，此时就会产生 Crash。
java.lang.NoClassDefFoundError: Class not found using the boot class loader; no stack trace available
所以需要想办法将 JVMTIHelper 类添加到 BootClassLoader 里，这里可以使用 JVM TI 提供的 AddToBootstrapClassLoaderSearch 方法来添加 Dex 或者 APK 到 Class 搜索目录里。Sample 里是将 getPackageCodePath 添加进去就可以了。

总结

今天我主要讲解了 JVM TI 的概念和原理，以及它可以实现的功能。通过 JVM TI 可以完成很多平时可能需要很多“黑科技”才可以获取到的数据，比如Thread Park Start/Finish事件、获取一个锁的 waiters 等。
可能在 Android 圈里了解 JVM TI 的人不多，对它的研究还没有非常深入。目前 JVM TI 的功能已经十分强大，后续的 Android 版本也会进一步增加更多的功能支持，这样它可以做的事情将会越来越多。我相信在未来，它将会是本地自动化测试，甚至是线上远程诊断的一大“杀器”。
在本期的Sample里，我们提供了一些简单的用法，你可以在这个基础之上完成扩展，实现自己想要的功能。

相关资料

1.深入 Java 调试体系：第 1 部分，JPDA 体系概览
2.深入 Java 调试体系：第 2 部分，JVMTI 和 Agent 实现
3.深入 Java 调试体系：第 3 部分，JDWP 协议及实现
4.深入 Java 调试体系：第 4 部分，Java 调试接口（JDI）
5.JVM TI 官方文档：https://docs.oracle.com/javase/7/docs/platform/jvmti/jvmti.html
6. 源码是最好的资料：http://androidxref.com/9.0.0_r3/xref/art/openjdkjvmti/

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精选留言(7)

  • bonan
    2018-12-25
    今天看到Matrix 开源了，老师有计划介绍一下嘛？
    8
  • 功夫熊猫
    2018-12-26
    方法执行这段里的FileAccess 这个是不是写错了，应该是FieldAccess https://docs.oracle.com/javase/7/docs/platform/jvmti/jvmti.html#FieldAccess

    作者回复: 这里写错了，应该是FieldAccess

    2
  • GEEK_jahen
    2022-10-26 来自中国香港
    运行Sample还是有闪退现象
  • 珞小飞
    2020-06-01
    dexmaker貌似只能生成字节码，没办法修改已有字节码？
  • hbl
    2019-08-15
    刚才看到Android 8.0 以后可以使用 apply change 这个功能通过 Android Studio 3.5 能够实现代码的动态加载，并且不需要重启，稍微了解了下原理，发现正是使用 JVM TI 的方式实现的
  • 程序员小跃
    2019-03-13
    完了，第一次听说这个JVM TI 很认真的看了，还是有点不大明白，需要更好的消化下

    作者回复: JVMTI这个机制很重要，后面Android很多工具都会使用到它

    共 2 条评论
  • Eric 老乌龟
    2019-01-08
    确实不太了解这块，先Mark下，用到了来学😂