字节码操纵/增强和Java Instrumentation API

Question

我很难理解字节码操作/增强和Java Instrumentation API之间的依赖关系。

根据我的理解，要进行任何字节码操作/增强，我们有两个选项：

• 编译时 - Java类被编译为*.class，然后需要执行其他库/应用程序来进行操作。
• 加载时 - 仅通过使用Java Instrumentation API，这意味着必须提供特定的javaagent。

我不确定的事情：

• 是否存在编译时字节码操作，有哪些支持该操作的框架/库（例如Javassist、ASM）？它们是否使用共同的方法或只是读取和解析字节码，然后提供一种修改它的方式？

• 加载时操作是否只依赖于Java Instrumentation API？这意味着所有可用的框架/库（例如Javassist、ASM）都使用javaagent来进行操作吗？

请注意，我对这个主题的经验非常少，所以有可能我误解或错过了一些概念。我正在试图将这个复杂的主题简化为一些简单的解释，即使它将非常一般或使用比喻进行演示。

- vzhemevko

Answer 1

将一个已编译的Java类文件视为包含特定Java类的任何信息的byte[]数组。在此上下文中，仪器化是指将这个字节数组后处理成不同的形状，无论何时或如何进行处理都是独立的。仪器化可以应用于从编译到类加载之间的任何时间；在Java中，甚至可以在类被加载后 进行仪器化 ，但不能改变其形状，例如添加/删除字段或方法。但不管仪器化何时应用，概念都保持不变，即重新排列表示已编译Java类的字节数组。

我所知道的任何字节码操作库都允许处理来自任何来源的类文件。通常，这些库的最通用输入是一个简单的字节数组，可以选择从类加载器中加载以方便操作。可以通过使用类文件名作为参数来通过类加载器查找类文件。例如：

classLoader.getResourceAsStream("some/Sample.class")

应该为一个虚构的some.Sample类解决类文件。通常，这是因为在第一次请求加载类时，需要通过类加载器定位类文件（字节数组）。

在构建时，类文件通常位于特定文件夹中，例如Maven构建的target/classes文件夹中。要对这些类进行仪器化，您只需要找到这些文件，将它们读入字节数组，然后写回更改后的结果。例如，您可以编写自己的Maven插件，在其中使用ASM调整文件。但是，为了方便起见，您也可以使用更高级的库，例如Byte Buddy的Maven插件，您可以将自己的插件加载到其中，避免使用Maven插件API甚至是字节码API。（我是Byte Buddy的作者。）

在运行时，您可以做非常相似的事情，即找到位于某个文件夹或jar文件中的类文件，找到这些类并在应用程序加载之前进行调整。但是，这种方法不总是有效，因为jar文件可能还被其他应用程序使用，这些应用程序也会受到影响。此外，它还需要用户明确从他们的应用程序中激活此仪器化。因此，通常使用Java代理来应用类文件仪器化，这样可以访问Instrumentation API，从而使其更加方便。该API允许在Java的内部类加载机制中安装钩子，从而可以在加载类的字节数组之前对其进行调整：

instrumentation.addClassFileTransformer(
  (Module module, ClassLoader loader, String name, 
   Class<?> classIfLoaded, ProtectionDomain pd, byte[] classFile) -> {
     byte[] transformed = doSomethingWith(classFile);
     return transformed;
});

这种更改会被隔离到应用程序中，不会更改原始的类文件。Instrumentation API并不意味着使用任何库来修改类文件，这完全由您自己决定，每个人都在使用某种库甚至直接操作字节数组。高级库（例如Byte Buddy）甚至不需要您实现自己的类文件转换器，而是通过AgentBuilder API拥有自己的抽象层，但会在底层创建一个类文件转换器以利用Instrumentation API的独特功能。其他库，如ASM或Javassist，与Instrumentation API没有关系，需要您自己实现类文件转换器，并使用这些库的API处理所提供的类文件。

- Rafael Winterhalter