Java的调试体系-JPDA架构

一、前言

在日常工作中，往往会在开发环境或者线上环境遇到一些bug，这个时候，我们会在IDE工具（idea、eclipse）中开启debug模式进行断点调试，又或者使用一些第三方的工具，例如Arthas进行分析，定位问题。 大家是否有好奇过debug是什么原理？Arthas底层是通过什么方式实现的？Skywalking底层又是通过什么方式实现的呢？

二、JPDA是什么？

JPDA全称Java Platform Debugger Architecture，是一个多层的debug架构体系 ，这套体系为开发人员提供了一整套用于调试 Java 程序的 API。

JPDA由三层组成：

Components                          Debugger Interfaces

                /    |--------------|
               /     |     VM       |
 debuggee ----(      |--------------|  <------- JVM TI - Java VM Tool Interface（Java 虚拟机工具接口）
 被调试者       \     |   back-end   |
                \    |--------------|
                /           |
 comm channel -(            |  <--------------- JDWP - Java Debug Wire Protocol（Java 调试协议）
    通信器       \           |
                /    |--------------|
               /     | front-end    |
 debugger ----(      |--------------|  <------- JDI - Java Debug Interface（Java 调试接口）
  调试器        \     |      UI      |
                \    |--------------|

1. JVM TI-Java 虚拟机工具接口

JVMTI 的功能非常丰富，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 20 多类功能，从功能上大致可以分为4类，如下：

1. Heap：获取所有类信息，对象信息，对象引用关系，Full GC开始/结束，对象回收事件等；
2. 线程与堆栈：获取所有线程信息，线程组信息，控制线程（start,suspend,resume,interrupt…）, Thread Monitor(Lock)，得到线程堆栈，控制出栈，方法强制返回，方法栈本地变量等；
3. Class & Object & Method & Field 元信息：class信息，符号表，方法表，redefine class（hotswap）, retransform class，object信息，fields信息，method信息等；
4. 工具类：线程cpu消耗，classloader路径修改，系统属性获取等；

2. JDWP-Java 调试协议

2.1、通信机制 调试器与被调试JVM之间需要通过一定的方式进行通信，通信的机制主要包括两部分

• 连接器（Connector）连接器是指调试器与被调试 JVM 之间的一个连接，JPDA 在 JDI 这一层面实现了连接器，连接器有三种：
  1. Listening 连接器：调试器监听来自被调试 JVM 的连接；
  2. Attaching 连接器：调试器连接上一个处于运行状态的被调试 JVM；
  3. Launching 连接器：调试器直接亲手启动被调试 JVM，此时调试器与被调试代码运行在同一个 JVM 中
• 通信方式（Transport）通信方式是指调试器与被调试 JVM 之间的数据交换方式和通信报文格式，JPDA 在 JDWP 中定义了报文规范。

3. JDI-Java 调试接口

三、Java agent工作过程？

Java Agent 又叫做 Java 探针，是在 JDK1.5 引入的一种可以动态修改 Java 字节码的技术。在Java 类编译之后形成的字节码被 JVM 执行之前获取这些字节码信息，并且通过字节码转换器对这些字节码进行修改，来完成一些额外的功能。

也可以认为这个功能是 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与分析，甚至干预虚拟机的运行。

JVMTI有两种启动方式：启动时载入、运行时载入

1. 启动时载入

我们查看java命令的帮助文档java -h,会发现三个选项agentlib,agentpath,javaagent,我们重点看下javaagent,其中Skywalking就是通过这种方式载入，如下：

# load native agent library <libname>, e.g. -agentlib:jdwp
# see also -agentlib:jdwp=help
-agentlib:<libname>[=<options>]
                  
# load native agent library by full pathname
-agentpath:<pathname>[=<options>]         
              
# -javaagent:/xxx/xxx/skywalking-agent.jar
# load Java programming language agent, see java.lang.instrument
-javaagent:<jarpath>[=<options>]

启动时载入，处于虚拟机初始化的早期，在这个时间点上：

1. 所有的 Java 类都未被初始化；
2. 所有的 Java 对象实例都未被创建；
3. 因而，没有任何 Java 代码被执行；

但在这个时候，我们已经可以：

1. 操作 JVMTI 的 Capability 参数；
2. 使用系统参数；

2. 运行时载入

通过attach api，这是一套纯Java的API，它负责动态地将dynamic module attach到指定进程id的Java进程内并触发回调。其中Arthas就是通过这种方式载入的,例子如下

import java.io.IOException;
import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;

public class VMAttacher {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
         // args[0]为java进程id
         VirtualMachine virtualMachine = com.sun.tools.attach.VirtualMachine.attach(args[0]);
         // args[1]为共享库路径，args[2]为传递给agent的参数
         virtualMachine.loadAgentPath(args[1], args[2]);
         virtualMachine.detach();
    }
}

本文主要参考文档：

JAVA-JPDA官网文档 (opens new window)、浅谈JPDA中JVMTI模块 (opens new window)

基于Java Instrument的Agent实现 (opens new window)、JAVA进阶之Agent (opens new window)