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一、前言

一天下午正在摸魚的時候，測試小姐姐走了過來求助，說是需要改動測試環境 mock 應用。但是這個應用一時半會又找不到源代碼存在何處。但是測試小姐姐的活還是一定要幫，突然想起了 Arthas 可以熱更新應用代碼，按照網上的步驟，反編譯應用代碼，加上需要改動的邏輯，最後熱更新成功。對此，測試小姐姐很滿意，並表示下次會少提 Bug。

嘿嘿，以前一直對熱更新背後原理很好奇，藉著這個機會，研究一下熱更新的原理。

二、Arthas 熱更新

我們先來看下 Arthas 是如何熱更新的。

詳情參考:

假設我們現在有一個 HelloService 類，邏輯如下，現在我們使用 Arthas 熱更新代碼，讓其輸出 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 反編譯代碼

首先運行 jad 命令反編譯 class 文件獲取源代碼,運行命令如下：。

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

2.2、修改反編譯之後的代碼

拿到源代碼之後，使用 VIM 等文本編輯工具編輯源代碼，加入需要改動的邏輯。

2.3、查找 ClassLoader

然後使用 sc 命令查找加載修改類的 ClassLoader，運行命令如下:

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

這裏運行之後將會得到 ClassLoader 哈希值。

2.4、 mc 內存編譯源代碼

使用 mc 命令編譯上一步修改保存的源代碼，生成最終 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 熱更新代碼

運行 redefine 命令：

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

熱更新成功之後，程序輸出結果如下：

一般情況下，我們本地將會有源代碼，上面的步驟我們可以進一步省略，我們可以先在自己 IDE 上改動代碼，編譯生成 class 文件。這樣我們只需要運行 redefine 命令即可。也就是說實際上起到作用只是 redefine 。

三、 Instrumentation 與 attach 機制

Arthas 熱更新功能看起來很神奇，實際上離不開 JDK 一些 API，分別為 instrument API 與 attach API。

3.1 Instrumentation

Java Instrumentation 是 JDK5 之後提供接口。使用這組接口，我們可以獲取到正在運行 JVM 相關信息，使用這些信息我們構建相關監控程序檢測 JVM。另外， 最重要我們可以替換和修改類的，這樣就實現了熱更新。

Instrumentation 存在兩種使用方式，一種為 pre-main 方式，這種方式需要在虛擬機參數指定 Instrumentation 程序，然後程序啟動之前將會完成修改或替換類。使用方式如下:

java -javaagent:jar Instrumentation_jar -jar xxx.jar

有沒有覺得這種啟動方式很熟悉，仔細觀察一下 IDEA 運行輸出窗口。

另外很多應用監控工具，如：zipkin、pinpoint、skywalking。

這種方式只能在應用啟動之前生效，存在一定的局限性。

JDK6 針對這種情況作出了改進，增加 agent-main 方式。我們可以在應用啟動之後，再運行 Instrumentation 程序。啟動之後，只有連接上相應的應用，我們才能做出相應改動，這裏我們就需要使用 Java 提供 attach API。

3.2 Attach API

Attach API 位於 tools.jar 包，可以用來連接目標 JVM。Attach API 非常簡單，內部只有兩個主要的類，VirtualMachine 與 VirtualMachineDescriptor。

VirtualMachine 代表一個 JVM 實例， 使用它提供 attach 方法，我們就可以連接上目標 JVM。

 VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(pid);

VirtualMachineDescriptor 則是一個描述虛擬機的容器類，通過該實例我們可以獲取到 JVM PID(進程 ID),該實例主要通過 VirtualMachine#list 方法獲取。

        for (VirtualMachineDescriptor descriptor : VirtualMachine.list()){

            System.out.println(descriptor.id());
        }

介紹完熱更新涉及的相關原理，接下去使用上面 API 實現熱更新功能。

四、實現熱更新功能

這裏我們使用 Instrumentation agent-main 方式。

4.1、實現 agent-main

首先需要編寫一個類，包含以下兩個方法：

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

上面的方法只需要實現一個即可。若兩個都實現， [1] 優先級大於 [2]，將會被優先執行。

接着讀取外部傳入 class 文件，調用 Instrumentation#redefineClasses，這個方法將會使用新 class 替換當前正在運行的 class，這樣我們就完成了類的修改。

public class AgentMain {
    /**
     *
     * @param agentArgs 外部傳入的參數，類似於 main 函數 args
     * @param inst
     */
    public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
        // 從 agentArgs 獲取外部參數
        System.out.println("開始熱更新代碼");
        // 這裏將會傳入 class 文件路徑
        String path = agentArgs;
        try {
            // 讀取 class 文件字節碼
            RandomAccessFile f = new RandomAccessFile(path, "r");
            final byte[] bytes = new byte[(int) f.length()];
            f.readFully(bytes);
            // 使用 asm 框架獲取類名
            final String clazzName = readClassName(bytes);

            // inst.getAllLoadedClasses 方法將會獲取所有已加載的 class
            for (Class clazz : inst.getAllLoadedClasses()) {
                // 匹配需要替換 class
                if (clazz.getName().equals(clazzName)) {
                    ClassDefinition definition = new ClassDefinition(clazz, bytes);
                    // 使用指定的 class 替換當前系統正在使用 class
                    inst.redefineClasses(definition);
                }
            }

        } catch (UnmodifiableClassException | IOException | ClassNotFoundException e) {
            System.out.println("熱更新數據失敗");
        }


    }

    /**
     * 使用 asm 讀取類名
     *
     * @param bytes
     * @return
     */
    private static String readClassName(final byte[] bytes) {
        return new ClassReader(bytes).getClassName().replace("/", ".");
    }
}

完成代碼之後，我們還需要往 jar 包 manifest 寫入以下屬性。

## 指定 agent-main 全名
Agent-Class: com.andyxh.AgentMain
## 設置權限，默認為 false，沒有權限替換 class
Can-Redefine-Classes: true

我們使用 maven-assembly-plugin，將上面的屬性寫入文件中。

<plugin>
    <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
    <version>3.1.0</version>
    <configuration>
        <!--指定最後產生 jar 名字-->
        <finalName>hotswap-jdk</finalName>
        <appendAssemblyId>false</appendAssemblyId>
        <descriptorRefs>
            <!--將工程依賴 jar 一塊打包-->
            <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 類名字，下面將會使用到-->
                <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>

到這裏我們就完成熱更新主要代碼，接着使用 Attach API，連接目標虛擬機，觸發熱更新的代碼。

public class JvmAttachMain {
    public static void main(String[] args) throws IOException, AttachNotSupportedException, AgentLoadException, AgentInitializationException {
        // 輸入參數，第一個參數為需要 Attach jvm pid 第二參數為 class 路徑
        if(args==null||args.length<2){
            System.out.println("請輸入必要參數，第一個參數為 pid，第二參數為 class 絕對路徑");
            return;
        }
        String pid=args[0];
        String classPath=args[1];
        System.out.println("當前需要熱更新 jvm pid 為 "+pid);
        System.out.println("更換 class 絕對路徑為 "+classPath);
        // 獲取當前 jar 路徑
        URL jarUrl=JvmAttachMain.class.getProtectionDomain().getCodeSource().getLocation();
        String jarPath=jarUrl.getPath();

        System.out.println("當前熱更新工具 jar 路徑為 "+jarPath);
        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(pid);//7997是待綁定的jvm進程的pid號
        // 運行最終 AgentMain 中方法
        vm.loadAgent(jarPath, classPath);
    }
}

在這個啟動類，我們最終調用 VirtualMachine#loadAgent，JVM 將會使用上面 AgentMain 方法使用傳入 class 文件替換正在運行 class。

4.2、運行

這裏我們繼續開頭使用的例子，不過這裏加入一個方法獲取 JVM 運行進程 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");
    }

    /**
     * 獲取當前運行 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];
    }

}

首先運行 HelloService，獲取當前 PID,接着複製 HelloService 代碼到另一個工程，修改 hello 方法輸出 hello agent，重新編譯生成新的 class 文件。

最後在命令行運行生成的 jar 包。

HelloService 輸出效果如下所示：

4.3、調試技巧

普通的應用我們可以在 IDE 直接使用 Debug 模式調試程序，但是上面的程序無法直接使用 Debug。剛開始運行的程序碰到很多問題，無奈之下，只能選擇最原始的辦法，打印錯誤日誌。後來查看 arthas 的文檔，發現上面一篇文章介紹使用 IDEA Remote Debug 模式調試程序。

首先我們需要在 HelloService JVM 參數加入以下參數：

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

此時程序將會被阻塞，直到遠程調試程序連接上 8001 端口，輸出如下：

然後在 Agent-main 這個工程增加一個 remote 調試。

圖中參數如下:

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

在 Agent-main 工程打上斷點，運行遠程調試， HelloService 程序將會被啟動。

最後在命令行窗口運行 Agent-main 程序，遠程調試將會暫停到相應斷點處，接下來調試就跟普通 Debug 模式一樣，不再敘述。

4.4、相關問題

由於 Attach API 位於 tools.jar 中，而在 JDK8 之前 tools.jar 與我們常用JDK jar 包並不在同一個位置，所以編譯與運行過程可能找不到該 jar 包，從而導致報錯。

如果 maven 編譯與運行都使用 JDK9 之後，不用擔心下面問題。

maven 編譯問題

maven 編譯過程可能發生如下錯誤。

解決辦法為在 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>

或者使用下面依賴。

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

程序運行過程 tools.jar 找不到

運行程序時拋出 java.lang.NoClassDefFoundError，主要原因還是系統未找到 tools.jar 導致。

在運行參數加入 -Xbootclasspath/a:${java_home}/lib/tools.jar，完整運行命令如下：

4.5、熱更新存在一些限制

並不是所有改動熱更新都將會成功，當前使用 Instrumentation#redefineClasses 還是存在一些限制。我們僅只能修改方法內部邏輯，屬性值等，不能添加，刪除方法或字段，也不能更改方法的簽名或繼承關係。

五、彩蛋

寫完熱更新代碼，收到一封系統郵件提示 xxx bug 待修復。恩，說好的少提 Bug 呢 o(╥﹏╥)o。

六、幫助

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