Java黑科技之源：JVMTI完全解读

Java生态中有一些非常规的技术，它们能达到一些特别的效果。这些技术的实现原理不去深究的话一般并不是广为人知。这种技术通常被称为黑科技。而这些黑科技中的绝大部分底层都是通过JVMTI实现的。

形象地说，JVMTI是Java虚拟机提供的一整套后门。通过这套后门可以对虚拟机方方面面进行监控，分析。甚至干预虚拟机的运行。

下面先介绍下哪些黑科技是通过JVMTI实现的，再详细的介绍JVMTI。

JVMTI可以用来实现哪些黑科技

使用JVMTI对class文件加密
有时一些涉及到关键技术的class文件或者jar包我们不希望对外暴露，因而需要进行加密。使用一些常规的手段（例如使用混淆器或者自定义类加载器）来对class文件进行加密很容易被反编译。反编译后的代码虽然增加了阅读的难度，但花费一些功夫也是可以读懂的。使用JVMTI我们可以将解密的代码封装成.dll,或.so 文件。这些文件想要反编译就很麻烦了，另外还能加壳。解密代码不能被破解，从而也就保护了我们想要加密的class文件。
使用JVMTI实现应用性能监控(APM)
在微服务大行其道的环境下，分布式系统的逻辑结构变得越来越复杂。这给系统性能分析和问题定位带来了非常大的挑战。基于JVMTI的APM能够解决分布式架构和微服务带来的监控和运维上的挑战。APM通过汇聚业务系统各处理环节的实时数据，分析业务系统各事务处理的交易路径和处理时间，实现对应用的全链路性能监测。开源的Pinpoint, ZipKin, Hawkular,商业的AppDynamics，OneAPM，Google Dapper等都是个中好手。
产品运行时错误监测及调试
想要看生产环境的异常，最原始的方式是登录到生产环境的机器查看日志。稍微高级一点的方式是通过日志监控或者APM等工具将异常采集上来。但是这些手段都有许多明显的缺点。首先，不是所有的异常都会被打印到日志中，有些异常可能被代码吃掉了；其次，打印异常的时候通常只有异常堆栈信息，异常发生时上下文的变量值很难获取到（除非有经验的程序员将其打印出来了），而这些信息对定位异常的原因至关重要。基于JVMTI可以开发出一款工具来时事监控生产环境的异常。这方面有一款成熟的商业软件OverOps，其有三个主要的功能：1. 采集到所有的异常，包括try catch之后没有打印出来的异常；2. 可以采集到异常发生时上下文所有变量的值；3. 可以将异常发生的堆栈对应的源代码采集展示出来，从而在一个系统上就可以看代码定位问题，不需要打开ide调试源代码。
JAVA程序的调试(debug)。
一般JAVA的IDE都自带了调试工具。例如Eclipse的调试器相信大部分人都使用过。它的调试器org.eclipse.jdt.debug插件底层就是调用的JVMTI来实现的。不仅如此，随着服务云化的发展，google甚至推出了云端调试工具cloud debugger。它时一个web应用，可以直接对生产环境进行远程调试，不需要重启或者中断服务。阿里也有类似的工具Zdebugger。
JAVA程序的诊断(profile)。
当出现cpu使用率过高、线程死锁等问题时，需要使用一些JAVA性能剖析或者诊断工具来分析具体的原因。例如Alibaba开源的Java诊断工具Arthas，深受开发者喜爱。Arthas的功能十分强大，它可以查看或者动态修改某个变量的值、统计某个方法调用链上的耗时、拦截方法前后，打印参数值和返回值，以及异常信息等。
热加载
热加载指的是在不重启虚拟机的情况下重新加载一些class。热加载可以使本地调试代码非常节省时间，不用每次更新代码都重启一边程序。同时，在一线不方便重启的线上环境也能派上用场。这方面的代表产品有商业产品JRebel等。JRebel能够对应用中的任何class起作用。

JVMTI是什么

JVMTI的定义及原理
在介绍JVMTI之前，需要先了解下Java平台调试体系JPDA（Java PlatformDebugger Architecture）。它是Java虚拟机为调试和监控虚拟机专门提供的一套接口。如下图所示，JPDA被抽象为三层实现。其中JVMTI就是JVM对外暴露的接口。JDI是实现了JDWP通信协议的客户端，调试器通过它和JVM中被调试程序通信。
JVMTI 本质上是在JVM内部的许多事件进行了埋点。通过这些埋点可以给外部提供当前上下文的一些信息。甚至可以接受外部的命令来改变下一步的动作。外部程序一般利用C/C++实现一个JVMTIAgent，在Agent里面注册一些JVM事件的回调。当事件发生时JVMTI调用这些回调方法。Agent可以在回调方法里面实现自己的逻辑。JVMTIAgent是以动态链接库的形式被虚拟机加载的。
JVMTI的历史
JVMTI 的前身是JVMDI（Java Virtual Machine Profiler Interface）和 JVMPI（Java Virtual Machine Debug Interface），它们原来分别被用于提供调试 Java 程序以及 Java 程序调节性能的功能。在 J2SE 5.0 之后 JDK 取代了JVMDI 和 JVMPI 这两套接口，JVMDI 在最新的 Java SE 6 中已经不提供支持，而 JVMPI 也计划在 Java SE 7 后被彻底取代。
JVMTI的功能
JVMTI处于整个JPDA 体系的最底层，所有调试功能本质上都需要通过 JVMTI 来提供。从大的方面来说，JVMTI 提供了可用于 debug 和profiler 的接口；同时，在 Java 5/6 中，虚拟机接口也增加了监听（Monitoring），线程分析（Thread analysis）以及覆盖率分析（Coverage Analysis）等功能。从小的方面来说包含了虚拟机中线程、内存、堆、栈、类、方法、变量，事件、定时器处理等等诸多功能。具体可以参考oracle 的文档：https://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/jvmti/jvmti.html。通过这些接口，开发人员不仅可以调试在该虚拟机上运行的 Java 程序，还能查看它们运行的状态，设置回调函数，控制某些环境变量，从而优化程序性能。
JVMTI的实现
JVMTI 并不一定在所有的 Java 虚拟机上都有实现，不同的虚拟机的实现也不尽相同。不过在一些主流的虚拟机中，比如 Sun 和 IBM，以及一些开源的如Apache Harmony DRLVM 中，都提供了标准 JVMTI 实现。