浅谈阿里开源JVM Sandbox（内含代码实战）

原创杨桢栋(如驰) 阿里云开发者

在日常业务代码开发中，我们经常接触到AOP（面向切面编程），比如熟知的Spring AOP。我们经常用它来实现业务切面逻辑，比如登录校验，日志记录，性能监控，全局过滤器等。但Spring AOP有一个局限性，并不是所有的类都托管在 Spring 容器中，例如很多中间件代码、三方包代码和部分原生代码，都不能被Spring AOP代理到。如此一来，一旦你想实现的切面逻辑并不属于Spring的管辖范围，或者你想实现Spring之外的切面功能，就无从下手。

对于Java后端应用，有没有一种更为通用的AOP方式？答案是有的，Java自身提供了JVM TI，Instrumentation等特性和接口，允许使用者以通过一系列原生API完成对JVM的复杂控制。自此衍生出了很多著名的框架，比如Btrace，Arthas等等，帮助开发者们实现更多更复杂的Java功能。

JVM Sandbox也是其中的一员。当然，不同框架的设计目的和使命是不一样的，JVM-Sandbox的设计目的是实现一种在不重启、不侵入目标JVM应用情况下的AOP解决方案。

举几个典型的JVM-Sandbox应用场景：

流量回放：如何录制线上应用每次接口请求的入参和出参？改动应用代码固然可以，但成本太大，通过JVM-Sandbox，可以直接在不修改代码的情况下，直接抓取接口的出入参。
安全漏洞热修复：假设某个三方包（例如出名的fastjson）又出现了漏洞，集团内那么多应用，一个个发布新版本修复，漏洞已经造成了大量破坏。通过JVM-Sandbox，直接修改替换有漏洞的代码，及时止损。
接口故障模拟：想要模拟某个接口超时5s后返回false的情况，JVM-Sandbox很轻松就能实现。
故障定位：像Arthas类似的功能。
接口限流：动态对指定的接口做限流。
日志打印
...

可以看到，借助JVM-Sandbox，你可以实现很多之前在传统切面实现中做不了的事，大大拓展了切面可操作的范围。

本文围绕JVM SandBox展开，主要介绍如下内容：

JVM SandBox的诞生背景
JVM SandBox的架构设计
代码实战：Spring Bean初始化耗时统计
JVM SandBox的底层技术
总结

JVM Sandbox诞生背景

JVM Sandbox诞生的技术背景在引言中已经赘述完毕，下面是作者开发该框架的一些业务背景，以下描述引用自文章[1]:

JVM SandBox 是阿里开源的一款 JVM 平台非侵入式运行期 AOP 解决方案，本质上是一种 AOP 落地形式。那么可能有同学会问：已有成熟的 Spring AOP 解决方案，阿里巴巴为什么还要“重复造轮子”？这个问题要回到 JVM SandBox 诞生的背景中来回答。在 2016 年中，天猫双十一催动了阿里巴巴内部大量业务系统的改动，恰逢徐冬晨（阿里巴巴测试开发专家）所在的团队调整，测试资源保障严重不足，迫使他们必须考虑更精准、更便捷的老业务测试回归验证方案。开发团队面临的是新接手的老系统，老的业务代码架构难以满足可测性的要求，很多现有测试框架也无法应用到老的业务系统架构中，于是需要新的测试思路和测试框架。

JVM Sandbox整体架构

本章节不详细赘述JVM SandBox的架构设计，只讲其中几个重要的特性，详细的架构设计可以看开源代码的Wiki[2]。

类隔离

很多框架通过破坏双亲委派（我更愿意称之为直系亲属委派）来实现类隔离，JVM SandBox也不例外。它通过自定义的SandboxClassLoader破坏了双亲委派的约定，实现了几个隔离特性：

和目标应用的类隔离：不用担心加载沙箱会引起原应用的类污染、冲突。
模块之间类隔离：做到模块与模块之间、模块和沙箱之间、模块和应用之间互不干扰。

图1 JVM Sandbox架构（引用自官方文档）

无侵入AOP与事件驱动

JVM-SANDBOX属于基于Instrumentation的动态编织类的AOP框架，通过精心构造了字节码增强逻辑，使得沙箱的模块能在不违反JDK约束情况下实现对目标应用方法的无侵入运行时AOP拦截。

图2 JVM Sandbox编织代码示例（引用自官方文档）

从上图中，可以看到一个方法的整个执行周期都被代码“加强”了，能够带来的好处就是你在使用JVM SandBox只需要对于方法的事件进行处理。

主要是以下三种事件：

// BEFOREtry {
    /*    * do something...    */    // RETURN    return;
} catch (Throwable cause) {    // THROWS}

在沙箱的世界观中，任何一个Java方法的调用都可以分解为BEFORE、RETURN和THROWS三个环节，由此在三个环节上引申出对应环节的事件探测和流程控制机制。
基于BEFORE、RETURN和THROWS三个环节事件分离，沙箱的模块可以完成很多类AOP的操作。
可以感知和改变方法调用的入参
可以感知和改变方法调用返回值和抛出的异常
可以改变方法执行的流程
在方法体执行之前直接返回自定义结果对象，原有方法代码将不会被执行
在方法体返回之前重新构造新的结果对象，甚至可以改变为抛出异常
在方法体抛出异常之后重新抛出新的异常，甚至可以改变为正常返回
（引用自官方文档）

一切都是事件驱动的，这一点你可能很迷糊，但是别担心，请继续往下阅读，在下文的实战环节中，可以帮助你理解事件驱动的含义。

代码实战

示例代码版本：JVM-Sandbox 1.2.0

在平常的业务开发中，我们会遇到很多启动时间非常久的应用，通常都是因为业务代码堆积，缺乏维护导致。通常我们会视而不见，忍一忍海阔天空。但是当积累到一定的程度，每次部署应用就成了开发者们的负担，常常需要等待几分钟甚至十几分钟。对于Spring应用来说，大部分启动时间都消耗在了Spring Bean的初始化上，所以我们来实现一个小工具，统计Spring Bean初始化的耗时，最后形成数据表，供开发者优化分析。

在JVM SandBox中如何实现上面的工具？其实非常简单。

先贴上思路的整体流程：

图3 工具流程图

首先新建Maven工程，在Maven依赖中引用JVM SandBox，官方推荐独立工程使用parent方式。

<parent>    <groupId>com.alibaba.jvm.sandbox</groupId>    <artifactId>sandbox-module-starter</artifactId>    <version>1.2.0</version></parent>

新建一个类作为一个JVM SandBox模块，如下图：

图4 主入口代码实现

使用@Infomation声明mode为AGENT模式，一共有两种模式Agent和Attach。

Agent：随着JVM启动一起启动
Attach：在已经运行的JVM进程中，动态的插入

我们由于是监控JVM启动数据，所以需要AGENT模式。

其次，继承com.alibaba.jvm.sandbox.api.Module和com.alibaba.jvm.sandbox.api.ModuleLifecycle。

其中ModuleLifecycle包含了整个模块的生命周期回调函数。

onLoad：模块加载，模块开始加载之前调用！模块加载是模块生命周期的开始，在模块生命中期中有且只会调用一次。这里抛出异常将会是阻止模块被加载的唯一方式，如果模块判定加载失败，将会释放掉所有预申请的资源，模块也不会被沙箱所感知。
onUnload：模块卸载，模块开始卸载之前调用！模块卸载是模块生命周期的结束，在模块生命中期中有且只会调用一次。这里抛出异常将会是阻止模块被卸载的唯一方式，如果模块判定卸载失败，将不会造成任何资源的提前关闭与释放，模块将能继续正常工作。
onActive：模块被激活后，模块所增强的类将会被激活，所有com.alibaba.jvm.sandbox.api.listener.EventListener将开始收到对应的事件。
onFrozen：模块被冻结后，模块所持有的所有com.alibaba.jvm.sandbox.api.listener.EventListener将被静默，无法收到对应的事件。需要注意的是，模块冻结后虽然不再收到相关事件，但沙箱给对应类织入的增强代码仍然还在。
loadCompleted：模块加载完成，模块完成加载后调用！模块完成加载是在模块完成所有资源加载、分配之后的回调，在模块生命中期中有且只会调用一次。这里抛出异常不会影响模块被加载成功的结果。模块加载完成之后，所有的基于模块的操作都可以在这个回调中进行。

最常用的是loadCompleted，所以我们重写loadCompleted类，在里面开启我们的监控类SpringBeanStartMonitor线程。

而SpringBeanStartMonitor的核心代码如下图：

图5 过滤器代码实现

使用Sandbox的doClassFilter过滤出匹配的类，这里我们是BeanFactory，接着使用doMethodFilter过滤出要监听的方法，这里是initializeBean。我们取initializeBean作为统计耗时的切入方法。为什么选择该方法，涉及到SpringBean的启动生命周期，不在本文赘述范围内。

图6 initializeBean入口源码注释

接着，我们使用JVM Sandbox提供的方法moduleEventWatcher.watch(springBeanFilter, springBeanInitListener, Event.Type.BEFORE, Event.Type.RETURN);将我们的springBeanInitListener监听器绑定到被观测的方法上，这样每次initializeBean被调用，都会走到我们的切面逻辑。

监听器的主要逻辑如下：

图7 监听逻辑代码实现

代码有点长，不必细看，主要就是在原方法的BeforeEvent（进入前）和ReturnEvent（执行正常返回后）执行上述的切面逻辑，我这里便是使用了一个HashMap存储每个Bean的初始化开始和结束时间，最终统计出初始化耗时。

最终，我们还需要一个方法来知道我们的原始Spring应用已经启动完毕，这样我们可以手动卸载我们的Sandbox模块，毕竟他已经完成了他的历史使命，不需要再依附在主进程上。

我们通过一个简陋的办法，检查应用的HTTP端口是否会返回小于500的状态码，来判断Spring容器是否已经正确启动并对外提供服务。当然如果你的Spring没有使用Web框架，就不能用这个方法来判断启动完成，你也许可以通过Spring自己的生命周期钩子函数来实现，这里图方便，省略了更复杂的实现。

整个SpringBean监听模块的开发就完成了，你可以感受到，你的开发和日常业务开发几乎没有区别，这就是JVM Sandbox封装带来的便利。

下面是实际运行的效果：

图8 工具生成的SpringBean耗时报表

PS：该工具经过拓展，已经在集团内部已经孵化为应用启动速度治理平台，采集了包括SpringBean、HSF、CPU堆栈等Java后端应用启动数据，帮助集团内部应用优化部署时间，大幅度提升应用优化效率。

JVM Sandbox底层技术

整个JVM Sandbox的入门使用基本上讲完了，上文提到了一些JVM技术名词，可能小伙伴们听过但不是特别了解。这里简单阐述几个重要的概念，理清楚这几个概念之间的关系，以便大家更好的理解JVM Sandbox底层的实现。

JVMTI

JVMTI（JVM Tool Interface）是 Java 虚拟机所提供的 native 编程接口，JVMTI可以用来开发并监控虚拟机，可以查看JVM内部的状态，并控制JVM应用程序的执行。可实现的功能包括但不限于：调试、监控、线程分析、覆盖率分析工具等。

很多Java监控、诊断工具都是基于这种形式来工作的。如果arthas、jinfo、brace等，虽然这些工具底层是JVM TI，但是它们还使用到了上层工具JavaAgent。

JavaAgent和Instrumentation

Javaagent是java命令的一个参数。参数 -javaagent 可以用于指定一个 jar 包。


-agentlib:<libname>[=<选项>] # 加载本机代理库 <libname>, 例如 -agentlib:hprof，另请参阅 -agentlib:jdwp=help 和 -agentlib:hprof=help-agentpath:<pathname>[=<选项>] # 按完整路径名加载本机代理库-javaagent:<jarpath>[=<选项>] # 加载 Java 编程语言代理, 请参阅 java.lang.instrument

在上面的-javaagent参数中提到了参阅java.lang.instrument，这是在rt.jar 中定义的一个包，该包提供了一些工具帮助开发人员在 Java 程序运行时，动态修改系统中的 Class 类型。其中，使用该软件包的一个关键组件就是 Javaagent。从名字上看，似乎是个 Java 代理之类的，而实际上，他的功能更像是一个Class 类型的转换器，他可以在运行时接受重新外部请求，对Class类型进行修改。

Instrumentation的底层实现依赖于JVMTI。

JVM 会优先加载带 Instrumentation 签名的方法，加载成功忽略第二种，如果第一种没有，则加载第二种方法。

Instrumentation支持的接口：


public interface Instrumentation {    //添加一个ClassFileTransformer    //之后类加载时都会经过这个ClassFileTransformer转换    void addTransformer(ClassFileTransformer transformer, boolean canRetransform);
    void addTransformer(ClassFileTransformer transformer);    //移除ClassFileTransformer    boolean removeTransformer(ClassFileTransformer transformer);
    boolean isRetransformClassesSupported();    //将一些已经加载过的类重新拿出来经过注册好的ClassFileTransformer转换    //retransformation可以修改方法体，但是不能变更方法签名、增加和删除方法/类的成员属性    void retransformClasses(Class<?>... classes) throws UnmodifiableClassException;
    boolean isRedefineClassesSupported();
    //重新定义某个类    void redefineClasses(ClassDefinition... definitions)        throws  ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException;
    boolean isModifiableClass(Class<?> theClass);
    @SuppressWarnings("rawtypes")    Class[] getAllLoadedClasses();
    @SuppressWarnings("rawtypes")    Class[] getInitiatedClasses(ClassLoader loader);
    long getObjectSize(Object objectToSize);
    void appendToBootstrapClassLoaderSearch(JarFile jarfile);
    void appendToSystemClassLoaderSearch(JarFile jarfile);
    boolean isNativeMethodPrefixSupported();
    void setNativeMethodPrefix(ClassFileTransformer transformer, String prefix);}

Instrumentation的局限性：

不能通过字节码文件和自定义的类名重新定义一个本来不存在的类；
增强类和老类必须遵循很多限制：比如新类和老类的父类必须相同；新类和老类实现的接口数也要相同，并且是相同的接口；新类和老类访问符必须一致。新类和老类字段数和字段名要一致；新类和老类新增或删除的方法必须是private static/final修饰的；

再谈Attach和Agent

上面的实战章节中已经提到了attach和agent两者的区别，这里再展开聊聊。

在Instrumentation中，Agent模式是通过-javaagent:<jarpath>[=<选项>]从应用启动时候就插桩，随着应用一起启动。它要求指定的类中必须要有premain()方法，并且对premain方法的签名也有要求，签名必须满足以下两种格式：


public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst)    public static void premain(String agentArgs)

一个java程序中-javaagent参数的个数是没有限制的，所以可以添加任意多个javaagent。所有的java agent会按照你定义的顺序执行，例如：


java -javaagent:agent1.jar -javaagent:agent2.jar -jar MyProgram.jar

上面介绍Agent模式的Instrumentation是在 JDK 1.5中提供的，在1.6中，提供了attach方式的Instrumentation，你需要的是agentmain方法，并且签名如下：


public static void agentmain (String agentArgs, Instrumentation inst)
public static void agentmain (String agentArgs)

这两种方式各有不同用途，一般来说，Attach方式适合于动态的对代码进行功能修改，在排查问题的时候用的比较多。而Agent模式随着应用启动，所以经常用于提前实现一些增强功能，比如我上面实战中的启动观测，应用防火墙，限流策略等等。

总结

本文花了较短的篇幅重点介绍了JVM Sandbox的功能，实际用法，以及基础原理。它通过封装一些底层JVM控制的框架，使得对JVM层面的AOP开发变的异常简单，就像作者自己所说“JVM-SANDBOX还能帮助你做很多很多，取决于你的脑洞有多大了。”

参考：

[1] JVM SandBox 的技术原理与应用分析

https://www.infoq.cn/article/tsy4lgjvsfweuxebw*gp

[2] Github jvm-sandbox

https://github.com/alibaba/jvm-sandbox/wiki

[3] javaagent使用指南

https://www.cnblogs.com/rickiyang/p/11368932.html

[4] Java JVMTI和Instrumention机制介绍

https://www.jianshu.com/p/eff047d4480a

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