java用BTrace实现在线动态诊断
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一句话概括：
BTrace是一个是强大的java线上应用检测工具（动态追踪工具），可以在不修改应用代码，不停应用服务的前提下检测代码运行情况，进而诊断问题，是生产环境下必备神器，本文将对它的使用进行讲解。
1 引言
BTrace是一款开源软件，github地址为：https://github.com/btraceio/btrace，官网的介绍是BTrace is a safe, dynamic tracing tool for the Java platform.，它是安全的动态追踪java应用的工具，即可以动态地向目标应用的字节码注入追踪代码。何为动态？我们都知道，即在java应用启动的时候会把class文件加载到JVM运行，此时class代码功能是确定、静态的（无法变更），要想修改，只能是修改代码，重新编译、部署、启动。
而在处理线上应用时，我们经常需要查看代码运行情况，参数值、返回值查看，或者添加自己需要调试的日志等，在开发阶段，添加日志，重新启动没有问题，但在生产环境就不适用了（生产环境一般不轻易关停服务，而且即使可以重启，可能发生问题的现场就破坏了，无法重现问题），那么是否有方法在java应用运行期间，不重启程序的情况，动态加入自己想要监测（追踪）的内容？Btrace就是这样一个动态追踪神器，可以在不用重启的情况下监控应用运行情况，可以获取程序运行时的数据信息，如方法参数、返回值、全局变量和堆栈信息等。本文就是对BTrace进行运行原理和使用进行描述。
2 BTrace运行原理
2.1 class文件的动态修改替换
BTrace是基于java的动态追踪技术来实现的。对于java开发人员，都清楚java程序的开发流程是写java代码，把它编译为class文件，然后在JVM中加载class运行。若此时想要在不停止应用的情况下对class进行修改来添加追踪内容，如在某个方法(method)中添加输出信息，主要是两件事情：
(1)修改已经加载到
JVM中的class，添加自定义输出(2)替换运行在JVM`中的class
第一步，修改，由于JVM运行的都是class文件，是不是可以直接修改字节码class文件就行了（当然，字节码文件的可读性远远没有Java代码高），但是已经有相应的框架可以做这件事，就是ASM，利用这框架，可以直接编辑字节码的框架，它也提供接口可以让我们方便地操作字节码文件，进行注入修改类的方法，动态创造一个新的类等等。Spring就是使用这种技术来实现动态代理的。
第二步，替换，如果对它进行替换，则需要用到java提供的java.lang.instrument.Instrumentation，它有两个接口redefineClasses和retransformClasses，redefineClasses是自己提供字节码文件替换掉已存在的class文件，retransformClasses是在已存在的字节码文件上修改后再替换。不过需要注意的是instrument的使用有限制的（不能添加、修改、删除已经有字段和方法，不能改变方法签名，改变继承属性等）：
The redefinition must not add, remove or rename fields or methods, change the signatures of methods, or change inheritance
2.2 BTrace的模块与运行流程
BTrace就是基于前面的技术来实现的，文章《Java动态追踪技术探究》（https://mp.weixin.qq.com/s/_hSaI5yMvPTWxvFgl-UItA）对动态追踪技术进行了详细说明，下面简要说明一下。
2.2.1 主要模块
BTrace脚本：利用BTrace定义的注解，我们可以很方便地根据需要进行脚本的开发。
Compiler：将BTrace脚本编译成BTrace class文件。
Client：将class文件发送到Agent。
Agent：基于Java的
Attach API，Agent可以动态附着到一个运行的JVM上，然后开启一个BTrace Server，接收client发过来的BTrace脚本；解析脚本，然后根据脚本中的规则找到要修改的类；修改字节码后，调用Java Instrument的retransform接口，完成对对象行为的修改并使之生效。
2.2.2 运行流程
运行流程图如下：
跟java源码一样，先编写Btrace脚本（也是java文件），编译（compiler），通过client发送给agent，agent通过attach api添加到JVM并启动agent server来接收client发送过来的内容，然后底层是使用ASM修改字节码文件，之后使用Java Instrument的retransform接口替换修改后的class文件，运行后的输出再通过agent发送到client进行显示。
3 BTrace安装
知道了BTrace的运行原理，现在可以安装实践一下。本文用的示例还是java-monitor-example。BTrace的安装很简单，开箱即用。
下载地址（当前最新版本是
[v1.3.11.3]）：https://github.com/btraceio/btrace/releases解压到需要监测的java应用所在服务器中
btrace的命令在bin目录 下若需要在任意目录可执行，需要把
btrace设置到环境变量中(export)
4 BTrace适用场景
基本上，BTrace只适用于动态追踪类的输出信息，不能添加属性、删除方法，修改继承等，这跟前面提到的Instrument的限制是一致的。一般来说，使用Btrace进行线上应用监测，基于都属于日志输出类，多数包括以下几大场景：
查看某一个方法中入参和返回值
查看某一个方法的响应时间
查看某行代码是否有执行到
打印系统参数或JVM启动参数
打印方法调用的线程堆栈
出现异常时打印出现异常信息
5 BTrace使用
Btrace作为一个独立运行的工具，默认只能在本地运行，也就是说，想要监测哪个正在运行的java应用，就需要把它解压到对应的服务器。本示例中运行的是java-monitor-example作为需要监测的java应用，然后就是根据监测业务需求，写脚本，运行脚本，查看输出了。
5.1 脚本编写
5.1.1 注解与BTraceUtils
Btrace的脚本与编写java代码无异，不过相对简单很多，主要是使用Btrace提供的注解和BTraceUtils，注解用于告诉Btrace需要拦截的类、拦截时机、拦截位置等，BTraceUtils用于提供打印输出种信息的功能。如官网给出的示例如下：
package samples;
import com.sun.btrace.annotations.*;
import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*;
/**
* This script traces method entry into every method of
* every class in javax.swing package! Think before using
* this script -- this will slow down your app significantly!!
*/
@BTrace public class AllMethods {
@OnMethod(
clazz="/javax\\.swing\\..*/",
method="/.*/"
)
public static void m(@ProbeClassName String probeClass, @ProbeMethodName String probeMethod) {
print(Strings.strcat("entered ", probeClass));
println(Strings.strcat(".", probeMethod));
}
}以上代码，表示，会拦截所有调用以javax.swing开头的方法，然后打印出类名和方法名。可以注意到注解有@BTrace、@OnMethod、@ProbeClassName，@ProbeMethodName，而print，println是BTraceUtils提供的静态方法。BTraceUtils还提供了很多打印方法(后面示例会提到)。另外，还要注意的是跟踪操作都需要在静态方法体内指定，因此都需要static方法。
另外，关于BTrace提供的注解，详细可以参考官方文档（https://github.com/btraceio/btrace/wiki/BTrace-Annotations）。主要包括以下：
/**Class Annotations*/ @com.sun.btrace.annotations.DTrace @com.sun.btrace.annotations.DTraceRef @com.sun.btrace.annotations.BTrace /**Method Annotations*/ @com.sun.btrace.annotations.OnMethod @com.sun.btrace.annotations.OnTimer @com.sun.btrace.annotations.OnError @com.sun.btrace.annotations.OnExit @com.sun.btrace.annotations.OnEvent @com.sun.btrace.annotations.OnLowMemory @com.sun.btrace.annotations.OnProbe /**Argument Annotations*/ @com.sun.btrace.annotations.Self @com.sun.btrace.annotations.Return @com.sun.btrace.annotations.CalledInstance @com.sun.btrace.annotations.CalledMethod /**Field Annotations*/ @com.sun.btrace.annotations.Export @com.sun.btrace.annotations.Property @com.sun.btrace.annotations.TLS
其中，@OnMethod用得比较多，需要重点说明一下，它主要是三个属性clazz，method和location。
clazz：类的全路径名，如me.mason.monitor.controller.UserControllermethod：要监测的方法名，如getUserslocation：拦截时机，使用@Location注解。
@Location又有以下几种：
Kind.ENTRY：在进入方法时调用Kind.RETURN：方法执行完时调用，只有把拦截位置定义为Kind.RETURN，才能获取方法的返回结果@Return和执行时间@DurationKind.CALL：方法中调用其它方法时调用Kind.LINE：通过设置line，可以监控代码是否执行到指定的位置Kind.ERROR, Kind.THROW, Kind.CATCH：异常情况的跟踪
5.1.2 关于编写
建议还是使用java的maven项目的开发环境进行编写，可以使用代码提示功能。写好后再放到对应需要监测的服务器中。不过编辑时需要引用对应的jar包(btrace-agent,btrace-boot,btrace-client)，对应的jar在下载的安装下的build目录下。通过pom.xml引入即可使用。如下所示：
com.sun.btrace btrace-agent 1.3.11.3 jar system E:/btrace-bin-1.3.11.3/build/btrace-agent.jar com.sun.btrace btrace-boot 1.3.11.3 jar system E:/btrace-bin-1.3.11.3/build/btrace-boot.jar com.sun.btrace btrace-client 1.3.11.3 jar system E:/btrace-bin-1.3.11.3/build/btrace-client.jar
5.2 脚本运行
打印帮助信息如下：
一般来说，在服务器上，直接是btrace PID btraceFile.java，然后查看输出（也可以把内容输出到文件中再查看，如btrace PID btraceFile.java > info.txt）。如果有使用到特定的jar包，则需要把参数cp或classpath加上。如下示例是把调用方法的返回值进行输出：
5.3 脚本示例
下面通过几个常用的示例来说明一下BTrace脚本的使用，脚本在示例工程java-monitor-example中的btrace目录下。java-monitor-example中，分别是一个controller和service，有如下方法定义，下面会根据这些方法进行动态追踪。
/**
* UserController.java
**/
@GetMapping("/user")
public ResponseResult getUser() {
User user = userService.getUser();
return ResponseResult.ok(user);
}
@GetMapping("/users")
public ResponseResult getUsers(int num) {
List users = userService.getUsers(num);
return ResponseResult.ok(users);
}
/**
* UserService.java
* 根据ID获取用户
*
* @return
*/
public User getUser() {
return mockUser();
}
/**
* 获取用户数组
*
* @return
*/
public List getUsers(int num) {
userList.clear();
for(int i=0 ; i < num; i++){
userList.add(mockUser());
}
return userList;
} 5.3.1 打印方法相关信息
打印调用方法时的参数(调用
UserController的getUsers方法时打印)
@OnMethod(clazz = "me.mason.monitor.controller.UserController"
,method = "getUsers",location = @Location(Kind.ENTRY))
public static void readFunction(@ProbeClassName String className, @ProbeMethodName String methodName, AnyType[] args) {
// 打印时间
BTraceUtils.println(BTraceUtils.Time.timestamp("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
BTraceUtils.println("method controller");
BTraceUtils.printArray(args);
BTraceUtils.println(className + "," + methodName);
BTraceUtils.println("==========================");
}打印调用方法时的返回值
@OnMethod(clazz = "me.mason.monitor.service.UserService"
,method = "getUsers",location = @Location(Kind.RETURN))
public static void printReturnData1(@Return AnyType result){
BTraceUtils.println(BTraceUtils.Time.timestamp("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
BTraceUtils.printFields(result);
BTraceUtils.println("==========================");
BTraceUtils.println(BTraceUtils.str(result));
BTraceUtils.println("==========================");
}执行到的行数(查看是否执行到
UserService的39行)
@OnMethod(clazz = "me.mason.monitor.service.UserService"
,method = "getUsers",location = @Location(value = Kind.LINE,line = 39))
public static void printLineData(@ProbeClassName String className, @ProbeMethodName String methodName,int line){
BTraceUtils.println(BTraceUtils.Time.timestamp("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
BTraceUtils.println(className + "," + methodName + ","+line);
BTraceUtils.println("==========================");
}执行方法的用时(
UserController的getUsers方法用时多长)
@OnMethod(clazz = "me.mason.monitor.controller.UserController"
,method = "getUsers",location = @Location(Kind.RETURN))
public static void getUsersDuration(@Duration long duration){
BTraceUtils.println(BTraceUtils.Time.timestamp("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
BTraceUtils.println("time(ns):" + duration);
BTraceUtils.println("time(ms):" + BTraceUtils.str(duration / 1000000));
BTraceUtils.println("time(s):" + BTraceUtils.str(duration / 1000000000));
BTraceUtils.println("==========================");
}5.3.2 打印系统属性及JVM属性
类似JDK的命令行工具jinfo，另外jmap及jstatck可查询官方示例。
@BTrace
public class JInfo {
static {
println("System Properties:");
printProperties();
println("VM Flags:");
printVmArguments();
println("OS Enviroment:");
printEnv();
exit(0);
}
}5.3.3 打印异常输出
java开发人员应该都知道，java的异常分为Error和Exception，而它们都是Throwable的子类，即java中所有异常的父类都Throwable，因此追踪这个的构造函数，然后把堆栈打印出来即可。如下：
//局部变量存储异常 @TLS static Throwable currentException; //异常构造函数开始 @OnMethod( clazz="java.lang.Throwable", method="" ) public static void onthrow(@Self Throwable self) { currentException = self; } //异常构造函数结束，输出堆栈 @OnMethod( clazz="java.lang.Throwable", method=" ", location=@Location(Kind.RETURN) ) public static void onthrowreturn() { if (currentException != null) { Threads.jstack(currentException); println("====================="); currentException = null; } }
5.4 脚本限制
BTrace对JVM来说是“只读的”，BTrace要做的是，虽然修改了字节码，但是主要是输出需要的信息，对整个程序的正常运行并没有影响。需要注意的是，由于是动态替换class文件，被修改的字节码是不会自动还原的。官方文档也有说明，BTrace脚本会有以下限制：
不允许创建对象
不允许创建数组
不允许抛异常
不允许catch异常
不允许随意调用其他对象或者类的方法，只允许调用com.sun.btrace.BTraceUtils中提供的静态方法（一些数据处理和信息输出工具）
不允许改变类的属性
不允许有成员变量和方法，只允许存在static public void方法
不允许有内部类、嵌套类
不允许有同步方法和同步块
不允许有循环
不允许随意继承其他类（当然，java.lang.Object除外）
不允许实现接口
不允许使用assert
不允许使用Class对象
6 一些经验
搭建使用java的maven项目的开发环境进行脚本编写，引入相应的jar，以提供代码提示功能。
查看官方提供的例子，在下载包中已提供例子，位置：
btrace-bin-1.3.11.3\samples目录BTrace脚本中追踪的输入参数，返回值类型是简单类型直接使用（如int ,float等），复杂类型可以使用AnyType，但如果是使用自定义包中的类型（如User），则需要运行脚本时添加cp或classpath参数，指定自定义包。一般简单类型或字符串，直接使用
print或println，打印对象属性可使用printFields，打印List，可以使用BTraceUtils.println(BTraceUtils.str(list))在探查方法的最后一行打印分隔，强烈建议。可能是由于输出有缓冲区延迟，如果不输出分隔，有可能会无法输出或者输出后内容没有分隔。分隔可使用
BTraceUtils.println或BTraceUtils.println("============")。
7 总结
对于线上的java应用，如果想不停服务进行日志输出来诊断问题，动态追踪技术是必不可少的技术，而Btrace是使用此技术来实现动态追踪的有力工具。本文从Btrace的运行原理、安装、适用场景、脚本编写、运行等方面进行了详细描述，希望可以帮助大家加深Btrace的了解，更方便、有效率地解决线上问题。
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