arthas热部署原理(手把手教你实现热更新功能)

arthas热部署原理(手把手教你实现热更新功能)(1)

一、前言

一天下午正在摸鱼的时候,测试小姐姐走了过来求助,说是需要改动测试环境 mock 应用。但是这个应用一时半会又找不到源代码存在何处。但是测试小姐姐的活还是一定要帮,突然想起了 Arthas 可以热更新应用代码,按照网上的步骤,反编译应用代码,加上需要改动的逻辑,最后热更新成功。对此,测试小姐姐很满意,并表示下次会少提 Bug。

嘿嘿,以前一直对热更新背后原理很好奇,借着这个机会,研究一下热更新的原理。

二、Arthas 热更新

我们先来看下 Arthas 是如何热更新的。

详情参考:http://hengyunabc.github.io/arthas-online-hotswap

假设我们现在有一个 HelloService 类,逻辑如下,现在我们使用 Arthas 热更新代码,让其输出 hello arthas。

public class HelloService { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { while (true){ TimeUnit.SECONDS.sleep(1); hello(); } } public static void hello(){ System.out.println("hello world"); } }

2.1、jad 反编译代码

首先运行 jad 命令反编译 class 文件获取源代码,运行命令如下:。

jad --source-only com.andyxh.HelloService > /tmp/HelloService.java

2.2、修改反编译之后的代码

拿到源代码之后,使用 VIM 等文本编辑工具编辑源代码,加入需要改动的逻辑。

2.3、查找 ClassLoader

然后使用 sc 命令查找加载修改类的 ClassLoader,运行命令如下:

$ sc -d com.andyxh.HelloService | grep classLoaderHash classLoaderHash 4f8e5cde

这里运行之后将会得到 ClassLoader 哈希值。

2.4、 mc 内存编译源代码

使用 mc 命令编译上一步修改保存的源代码,生成最终 class 文件。

$ mc -c 4f8e5cde /tmp/HelloService.java -d /tmp Memory compiler output: /tmp/com/andyxh/HelloService.class Affect(row-cnt:1) cost in 463 ms.

2.5、redefine 热更新代码

运行 redefine 命令:

$ redefine /tmp/com/andyxh/HelloService.class redefine success, size: 1

热更新成功之后,程序输出结果如下:

arthas热部署原理(手把手教你实现热更新功能)(2)

一般情况下,我们本地将会有源代码,上面的步骤我们可以进一步省略,我们可以先在自己 IDE 上改动代码,编译生成 class 文件。这样我们只需要运行 redefine 命令即可。也就是说实际上起到作用只是 redefine 。

三、 Instrumentation 与 attach 机制

Arthas 热更新功能看起来很神奇,实际上离不开 JDK 一些 API,分别为 instrument API 与 attach API。

3.1 Instrumentation

Java Instrumentation 是 JDK5 之后提供接口。使用这组接口,我们可以获取到正在运行 JVM 相关信息,使用这些信息我们构建相关监控程序检测 JVM。另外, 最重要我们可以替换修改类的,这样就实现了热更新。

Instrumentation 存在两种使用方式,一种为 pre-main 方式,这种方式需要在虚拟机参数指定 Instrumentation 程序,然后程序启动之前将会完成修改或替换类。使用方式如下:

java -javaagent:jar Instrumentation_jar -jar xxx.jar

有没有觉得这种启动方式很熟悉,仔细观察一下 IDEA 运行输出窗口。

arthas热部署原理(手把手教你实现热更新功能)(3)

另外很多应用监控工具,如:zipkin、pinpoint、skywalking。

这种方式只能在应用启动之前生效,存在一定的局限性。

JDK6 针对这种情况作出了改进,增加 agent-main 方式。我们可以在应用启动之后,再运行 Instrumentation 程序。启动之后,只有连接上相应的应用,我们才能做出相应改动,这里我们就需要使用 Java 提供 attach API。

3.2 Attach API

Attach API 位于 tools.jar 包,可以用来连接目标 JVM。Attach API 非常简单,内部只有两个主要的类,VirtualMachine 与 VirtualMachineDescriptor。

VirtualMachine 代表一个 JVM 实例, 使用它提供 attach 方法,我们就可以连接上目标 JVM。

VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(pid);

VirtualMachineDescriptor 则是一个描述虚拟机的容器类,通过该实例我们可以获取到 JVM PID(进程 ID),该实例主要通过 VirtualMachine#list 方法获取。

for (VirtualMachineDescriptor descriptor : VirtualMachine.list()){ System.out.println(descriptor.id()); }

介绍完热更新涉及的相关原理,接下去使用上面 API 实现热更新功能。

四、实现热更新功能

这里我们使用 Instrumentation agent-main 方式。

4.1、实现 agent-main

首先需要编写一个类,包含以下两个方法:

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

上面的方法只需要实现一个即可。若两个都实现, [1] 优先级大于 [2],将会被优先执行。

接着读取外部传入 class 文件,调用 Instrumentation#redefineClasses,这个方法将会使用新 class 替换当前正在运行的 class,这样我们就完成了类的修改。

public class AgentMain { /** * * @param agentArgs 外部传入的参数,类似于 main 函数 args * @param inst */ public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst) { // 从 agentArgs 获取外部参数 System.out.println("开始热更新代码"); // 这里将会传入 class 文件路径 String path = agentArgs; try { // 读取 class 文件字节码 RandomAccessFile f = new RandomAccessFile(path, "r"); final byte[] bytes = new byte[(int) f.length()]; f.readFully(bytes); // 使用 asm 框架获取类名 final String clazzName = readClassName(bytes); // inst.getAllLoadedClasses 方法将会获取所有已加载的 class for (Class clazz : inst.getAllLoadedClasses()) { // 匹配需要替换 class if (clazz.getName().equals(clazzName)) { ClassDefinition definition = new ClassDefinition(clazz, bytes); // 使用指定的 class 替换当前系统正在使用 class inst.redefineClasses(definition); } } } catch (UnmodifiableClassException | IOException | ClassNotFoundException e) { System.out.println("热更新数据失败"); } } /** * 使用 asm 读取类名 * * @param bytes * @return */ private static String readClassName(final byte[] bytes) { return new ClassReader(bytes).getClassName().replace("/", "."); } }

完成代码之后,我们还需要往 jar 包 manifest 写入以下属性。

## 指定 agent-main 全名 Agent-Class: com.andyxh.AgentMain ## 设置权限,默认为 false,没有权限替换 class Can-Redefine-Classes: true

我们使用 maven-assembly-plugin,将上面的属性写入文件中。

<plugin> <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId> <version>3.1.0</version> <configuration> <!--指定最后产生 jar 名字--> <finalName>hotswap-jdk</finalName> <appendAssemblyId>false</appendAssemblyId> <descriptorRefs> <!--将工程依赖 jar 一块打包--> <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef> </descriptorRefs> <archive> <manifestEntries> <!--指定 class 名字--> <Agent-Class> com.andyxh.AgentMain </Agent-Class> <Can-Redefine-Classes> true </Can-Redefine-Classes> </manifestEntries> <manifest> <!--指定 mian 类名字,下面将会使用到--> <mainClass>com.andyxh.JvmAttachMain</mainClass> </manifest> </archive> </configuration> <executions> <execution> <id>make-assembly</id> <!-- this is used for inheritance merges --> <phase>package</phase> <!-- bind to the packaging phase --> <goals> <goal>single</goal> </goals> </execution> </executions> </plugin>

到这里我们就完成热更新主要代码,接着使用 Attach API,连接目标虚拟机,触发热更新的代码。

public class JvmAttachMain { public static void main(String[] args) throws IOException, AttachNotSupportedException, AgentLoadException, AgentInitializationException { // 输入参数,第一个参数为需要 Attach jvm pid 第二参数为 class 路径 if(args==null||args.length<2){ System.out.println("请输入必要参数,第一个参数为 pid,第二参数为 class 绝对路径"); return; } String pid=args[0]; String classPath=args[1]; System.out.println("当前需要热更新 jvm pid 为 " pid); System.out.println("更换 class 绝对路径为 " classPath); // 获取当前 jar 路径 URL jarUrl=JvmAttachMain.class.getProtectionDomain().getCodeSource().getLocation(); String jarPath=jarUrl.getPath(); System.out.println("当前热更新工具 jar 路径为 " jarPath); VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(pid);//7997是待绑定的jvm进程的pid号 // 运行最终 AgentMain 中方法 vm.loadAgent(jarPath, classPath); } }

在这个启动类,我们最终调用 VirtualMachine#loadAgent,JVM 将会使用上面 AgentMain 方法使用传入 class 文件替换正在运行 class。

4.2、运行

这里我们继续开头使用的例子,不过这里加入一个方法获取 JVM 运行进程 ID。

public class HelloService { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { System.out.println(getPid()); while (true){ TimeUnit.SECONDS.sleep(1); hello(); } } public static void hello(){ System.out.println("hello world"); } /** * 获取当前运行 JVM PID * @return */ private static String getPid() { // get name representing the running Java virtual machine. String name = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName(); System.out.println(name); // get pid return name.split("@")[0]; } }

首先运行 HelloService,获取当前 PID,接着复制 HelloService 代码到另一个工程,修改 hello 方法输出 hello agent,重新编译生成新的 class 文件。

最后在命令行运行生成的 jar 包。

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HelloService 输出效果如下所示:

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https://github.com/9526xu/hotswap-example

4.3、调试技巧

普通的应用我们可以在 IDE 直接使用 Debug 模式调试程序,但是上面的程序无法直接使用 Debug。刚开始运行的程序碰到很多问题,无奈之下,只能选择最原始的办法,打印错误日志。后来查看 arthas 的文档,发现上面一篇文章介绍使用 IDEA Remote Debug 模式调试程序。

首先我们需要在 HelloService JVM 参数加入以下参数:

-Xrunjdwp:transport=dt_socket,server=y,address=8001

此时程序将会被阻塞,直到远程调试程序连接上 8001 端口,输出如下:

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然后在 Agent-main 这个工程增加一个 remote 调试。

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图中参数如下:

-agentlib:jdwp=transport=dt_socket,server=y,suspend=n,address=8001

在 Agent-main 工程打上断点,运行远程调试, HelloService 程序将会被启动。

最后在命令行窗口运行 Agent-main 程序,远程调试将会暂停到相应断点处,接下来调试就跟普通 Debug 模式一样,不再叙述。

4.4、相关问题

由于 Attach API 位于 tools.jar 中,而在 JDK8 之前 tools.jar 与我们常用JDK jar 包并不在同一个位置,所以编译与运行过程可能找不到该 jar 包,从而导致报错。

如果 maven 编译与运行都使用 JDK9 之后,不用担心下面问题。

maven 编译问题

maven 编译过程可能发生如下错误。

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解决办法为在 pom 下加入 tools.jar 。

<dependency> <groupId>jdk.tools</groupId> <artifactId>jdk.tools</artifactId> <scope>system</scope> <version>1.6</version> <systemPath>${java.home}/../lib/tools.jar</systemPath> </dependency>

或者使用下面依赖。

<dependency> <groupId>com.github.olivergondza</groupId> <artifactId>maven-jdk-tools-wrapper</artifactId> <version>0.1</version> <scope>provided</scope> <optional>true</optional> </dependency>

程序运行过程 tools.jar 找不到

运行程序时抛出 java.lang.NoClassDefFoundError,主要原因还是系统未找到 tools.jar 导致。

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在运行参数加入 -Xbootclasspath/a:${java_home}/lib/tools.jar,完整运行命令如下:

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4.5、热更新存在一些限制

并不是所有改动热更新都将会成功,当前使用 Instrumentation#redefineClasses 还是存在一些限制。我们仅只能修改方法内部逻辑,属性值等,不能添加,删除方法或字段,也不能更改方法的签名或继承关系。

五、彩蛋

写完热更新代码,收到一封系统邮件提示 xxx bug 待修复。恩,说好的少提 Bug 呢 o(╥﹏╥)o。

六、帮助

https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-hotdeploy/index.html

https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-jse61/index.html

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