arthas簡(jiǎn)介

arthas 是Alibaba開源的Java診斷工具，基于jvm Agent方式，使用Instrumentation方式修改字節(jié)碼方式以及使用java.lang.management包提供的管理接口的方式進(jìn)行java應(yīng)用診斷。詳細(xì)的介紹可以參考官方文檔。
官方文檔地址：https://alibaba.github.io/arthas/
GitHub地址：https://github.com/alibaba/arthas/
本文主要分析arthas源碼，主要分成下面幾個(gè)部分：

arthas組成模塊
arthas服務(wù)端代碼分析
arthas客戶端代碼分析

arthas組成模塊

arthas有多個(gè)模塊組成，如下圖所示：

arthas模塊圖.png

arthas-boot.jar和as.sh模塊功能類似，分別使用java和shell腳本，下載對(duì)應(yīng)的jar包，并生成服務(wù)端和客戶端的啟動(dòng)命令，然后啟動(dòng)客戶端和服務(wù)端。服務(wù)端最終生成的啟動(dòng)命令如下：

${JAVA_HOME}"/bin/java \
     ${opts}  \
     -jar "${arthas_lib_dir}/arthas-core.jar" \
         -pid ${TARGET_PID} \             要注入的進(jìn)程id
         -target-ip ${TARGET_IP} \       服務(wù)器ip地址
         -telnet-port ${TELNET_PORT} \  服務(wù)器telnet服務(wù)端口號(hào)
         -http-port ${HTTP_PORT} \      websocket服務(wù)端口號(hào)
         -core "${arthas_lib_dir}/arthas-core.jar" \      arthas-core目錄
         -agent "${arthas_lib_dir}/arthas-agent.jar"    arthas-agent目錄

arthas-core.jar是服務(wù)端程序的啟動(dòng)入口類，會(huì)調(diào)用virtualMachine#attach到目標(biāo)進(jìn)程，并加載arthas-agent.jar作為agent jar包。
arthas-agent.jar既可以使用premain方式（在目標(biāo)進(jìn)程啟動(dòng)之前，通過-agent參數(shù)靜態(tài)指定），也可以通過agentmain方式（在進(jìn)程啟動(dòng)之后attach上去）。arthas-agent會(huì)使用自定義的classloader(ArthasClassLoader)加載arthas-core.jar里面的com.taobao.arthas.core.config.Configure類以及com.taobao.arthas.core.server.ArthasBootstrap。同時(shí)程序運(yùn)行的時(shí)候會(huì)使用arthas-spy.jar。
arthas-spy.jar里面只包含Spy類，目的是為了將Spy類使用BootstrapClassLoader來加載，從而使目標(biāo)進(jìn)程的java應(yīng)用可以訪問Spy類。通過ASM修改字節(jié)碼，可以將Spy類的方法ON_BEFORE_METHOD， ON_RETURN_METHOD等編織到目標(biāo)類里面。Spy類你可以簡(jiǎn)單理解為類似spring aop的Advice，有前置方法，后置方法等。
arthas-client.jar是客戶端程序，用來連接arthas-core.jar啟動(dòng)的服務(wù)端代碼，使用telnet方式。一般由arthas-boot.jar和as.sh來負(fù)責(zé)啟動(dòng)。

arthas服務(wù)端代碼分析

前置準(zhǔn)備

看服務(wù)端啟動(dòng)命令可以知道從 arthas-core.jar開始啟動(dòng)，arthas-core的pom.xml文件里面指定了mainClass為com.taobao.arthas.core.Arthas，使得程序啟動(dòng)的時(shí)候從該類的main方法開始運(yùn)行。Arthas源碼如下：

public class Arthas {

    private Arthas(String[] args) throws Exception {
        attachAgent(parse(args));
    }

    private Configure parse(String[] args) {
        // 省略非關(guān)鍵代碼，解析啟動(dòng)參數(shù)作為配置，并填充到configure對(duì)象里面
        return configure;
    }

    private void attachAgent(Configure configure) throws Exception {
           // 省略非關(guān)鍵代碼，attach到目標(biāo)進(jìn)程
          virtualMachine = VirtualMachine.attach("" + configure.getJavaPid());
          virtualMachine.loadAgent(configure.getArthasAgent(),
                            configure.getArthasCore() + ";" + configure.toString());
    }


    public static void main(String[] args) {
            new Arthas(args);
    }
}

Arthas首先解析入?yún)ⅲ?code>com.taobao.arthas.core.config.Configure類，包含了相關(guān)配置信息
使用jdk-tools里面的VirtualMachine.loadAgent，其中第一個(gè)參數(shù)為agent路徑，第二個(gè)參數(shù)向jar包中的agentmain()方法傳遞參數(shù)（此處為agent-core.jar包路徑和config序列化之后的字符串），加載arthas-agent.jar包，并運(yùn)行
arthas-agent.jar包，指定了Agent-Class為com.taobao.arthas.agent.AgentBootstrap，同時(shí)可以使用Premain的方式和目標(biāo)進(jìn)程同時(shí)啟動(dòng)

<manifestEntries>
    <Premain-Class>com.taobao.arthas.agent.AgentBootstrap</Premain-Class>
    <Agent-Class>com.taobao.arthas.agent.AgentBootstrap</Agent-Class>
</manifestEntries>

其中Premain-Class的premain和Agent-Class的agentmain都調(diào)用main方法。
main方法主要做4件事情：

找到arthas-spy.jar路徑，并調(diào)用Instrumentation#appendToBootstrapClassLoaderSearch方法，使用bootstrapClassLoader來加載arthas-spy.jar里的Spy類。
arthas-agent路徑傳遞給自定義的classloader(ArthasClassloader)，用來隔離arthas本身的類和目標(biāo)進(jìn)程的類。
使用 ArthasClassloader#loadClass方法，加載com.taobao.arthas.core.advisor.AdviceWeaver類，并將里面的methodOnBegin、methodOnReturnEnd、methodOnThrowingEnd等方法取出賦值給Spy類對(duì)應(yīng)的方法。同時(shí)Spy類里面的方法又會(huì)通過ASM字節(jié)碼增強(qiáng)的方式，編織到目標(biāo)代碼的方法里面。使得Spy 間諜類可以關(guān)聯(lián)由AppClassLoader加載的目標(biāo)進(jìn)程的業(yè)務(wù)類和ArthasClassloader加載的arthas類，因此Spy類可以看做兩者之間的橋梁。根據(jù)classloader雙親委派特性，子classloader可以訪問父classloader加載的類。源碼如下：

    private static ClassLoader getClassLoader(Instrumentation inst, File spyJarFile, File agentJarFile) throws Throwable {
        // 將Spy添加到BootstrapClassLoader
        inst.appendToBootstrapClassLoaderSearch(new JarFile(spyJarFile));

        // 構(gòu)造自定義的類加載器ArthasClassloader，盡量減少Arthas對(duì)現(xiàn)有工程的侵蝕
        return loadOrDefineClassLoader(agentJarFile);
    }

    private static void initSpy(ClassLoader classLoader) throws ClassNotFoundException, NoSuchMethodException {
        // 該classLoader為ArthasClassloader
        Class<?> adviceWeaverClass = classLoader.loadClass(ADVICEWEAVER);
        Method onBefore = adviceWeaverClass.getMethod(ON_BEFORE, int.class, ClassLoader.class, String.class,
                String.class, String.class, Object.class, Object[].class);
        Method onReturn = adviceWeaverClass.getMethod(ON_RETURN, Object.class);
        Method onThrows = adviceWeaverClass.getMethod(ON_THROWS, Throwable.class);
        Method beforeInvoke = adviceWeaverClass.getMethod(BEFORE_INVOKE, int.class, String.class, String.class, String.class);
        Method afterInvoke = adviceWeaverClass.getMethod(AFTER_INVOKE, int.class, String.class, String.class, String.class);
        Method throwInvoke = adviceWeaverClass.getMethod(THROW_INVOKE, int.class, String.class, String.class, String.class);
        Method reset = AgentBootstrap.class.getMethod(RESET);
        Spy.initForAgentLauncher(classLoader, onBefore, onReturn, onThrows, beforeInvoke, afterInvoke, throwInvoke, reset);
    }

classloader關(guān)系如下：

+-BootstrapClassLoader                                                                                                                                                                               
+-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7bf2dede                                                                                                                                                          
  +-com.taobao.arthas.agent.ArthasClassloader@51a10fc8                                                                                                                                               
  +-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

異步調(diào)用bind方法，該方法最終啟動(dòng)server監(jiān)聽線程，監(jiān)聽客戶端的連接，包括telnet和websocket兩種通信方式。源碼如下：

    Thread bindingThread = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                bind(inst, agentLoader, agentArgs);
            } catch (Throwable throwable) {
                throwable.printStackTrace(ps);
            }
        }
    };

    private static void bind(Instrumentation inst, ClassLoader agentLoader, String args) throws Throwable {
            /**
            * <pre>
            * Configure configure = Configure.toConfigure(args);
            * int javaPid = configure.getJavaPid();
            * ArthasBootstrap bootstrap = ArthasBootstrap.getInstance(javaPid, inst);
            * </pre>
            */
            Class<?> classOfConfigure = agentLoader.loadClass(ARTHAS_CONFIGURE);
            Object configure = classOfConfigure.getMethod(TO_CONFIGURE, String.class).invoke(null, args);
            int javaPid = (Integer) classOfConfigure.getMethod(GET_JAVA_PID).invoke(configure);
            Class<?> bootstrapClass = agentLoader.loadClass(ARTHAS_BOOTSTRAP);
            Object bootstrap = bootstrapClass.getMethod(GET_INSTANCE, int.class, Instrumentation.class).invoke(null, javaPid, inst);
            boolean isBind = (Boolean) bootstrapClass.getMethod(IS_BIND).invoke(bootstrap);
            if (!isBind) {
                try {
                    ps.println("Arthas start to bind...");
                    bootstrapClass.getMethod(BIND, classOfConfigure).invoke(bootstrap, configure);
                    ps.println("Arthas server bind success.");
                    return;
                } catch (Exception e) {
                    ps.println("Arthas server port binding failed! Please check $HOME/logs/arthas/arthas.log for more details.");
                    throw e;
                }
            }
            ps.println("Arthas server already bind.");
        }

主要做兩件事情：

使用ArthasClassloader加載com.taobao.arthas.core.config.Configure類(位于arthas-core.jar)，并將傳遞過來的序列化之后的config，反序列化成對(duì)應(yīng)的Configure對(duì)象。
使用ArthasClassloader加載com.taobao.arthas.core.server.ArthasBootstrap類（位于arthas-core.jar），并調(diào)用bind方法。

啟動(dòng)服務(wù)器，并監(jiān)聽客戶端請(qǐng)求

下面重點(diǎn)看下com.taobao.arthas.core.server.ArthasBootstrap#bind方法

    /**
     * Bootstrap arthas server
     *
     * @param configure 配置信息
     * @throws IOException 服務(wù)器啟動(dòng)失敗
     */
    public void bind(Configure configure) throws Throwable {

        long start = System.currentTimeMillis();

        if (!isBindRef.compareAndSet(false, true)) {
            throw new IllegalStateException("already bind");
        }

        try {
            ShellServerOptions options = new ShellServerOptions()
                            .setInstrumentation(instrumentation)
                            .setPid(pid)
                            .setSessionTimeout(configure.getSessionTimeout() * 1000);
            shellServer = new ShellServerImpl(options, this);
            BuiltinCommandPack builtinCommands = new BuiltinCommandPack();
            List<CommandResolver> resolvers = new ArrayList<CommandResolver>();
            resolvers.add(builtinCommands);
            // TODO: discover user provided command resolver
            if (configure.getTelnetPort() > 0) {
                // telnet方式的server
                shellServer.registerTermServer(new TelnetTermServer(configure.getIp(), configure.getTelnetPort(),
                                options.getConnectionTimeout()));
            } else {
                logger.info("telnet port is {}, skip bind telnet server.", configure.getTelnetPort());
            }
            if (configure.getHttpPort() > 0) {
                // websocket方式的server
                shellServer.registerTermServer(new HttpTermServer(configure.getIp(), configure.getHttpPort(),
                                options.getConnectionTimeout()));
            } else {
                logger.info("http port is {}, skip bind http server.", configure.getHttpPort());
            }

            for (CommandResolver resolver : resolvers) {
                shellServer.registerCommandResolver(resolver);
            }

            shellServer.listen(new BindHandler(isBindRef));

            logger.info("as-server listening on network={};telnet={};http={};timeout={};", configure.getIp(),
                    configure.getTelnetPort(), configure.getHttpPort(), options.getConnectionTimeout());
            // 異步回報(bào)啟動(dòng)次數(shù)
            UserStatUtil.arthasStart();

            logger.info("as-server started in {} ms", System.currentTimeMillis() - start );
        } catch (Throwable e) {
            logger.error(null, "Error during bind to port " + configure.getTelnetPort(), e);
            if (shellServer != null) {
                shellServer.close();
            }
            throw e;
        }
    }

可以看到有兩種類型的server，TelnetTermServer和HttpTermServer。同時(shí)會(huì)在BuiltinCommandPack里添加所有的命令Command，添加命令的源碼如下：

public class BuiltinCommandPack implements CommandResolver {

    private static List<Command> commands = new ArrayList<Command>();

    static {
        initCommands();
    }

    @Override
    public List<Command> commands() {
        return commands;
    }

    private static void initCommands() {
        commands.add(Command.create(HelpCommand.class));
        commands.add(Command.create(KeymapCommand.class));
        commands.add(Command.create(SearchClassCommand.class));
        commands.add(Command.create(SearchMethodCommand.class));
        commands.add(Command.create(ClassLoaderCommand.class));
        commands.add(Command.create(JadCommand.class));
        commands.add(Command.create(GetStaticCommand.class));
        commands.add(Command.create(MonitorCommand.class));
        commands.add(Command.create(StackCommand.class));
        commands.add(Command.create(ThreadCommand.class));
        commands.add(Command.create(TraceCommand.class));
        commands.add(Command.create(WatchCommand.class));
        commands.add(Command.create(TimeTunnelCommand.class));
        commands.add(Command.create(JvmCommand.class));
        // commands.add(Command.create(GroovyScriptCommand.class));
        commands.add(Command.create(OgnlCommand.class));
        commands.add(Command.create(DashboardCommand.class));
        commands.add(Command.create(DumpClassCommand.class));
        commands.add(Command.create(JulyCommand.class));
        commands.add(Command.create(ThanksCommand.class));
        commands.add(Command.create(OptionsCommand.class));
        commands.add(Command.create(ClsCommand.class));
        commands.add(Command.create(ResetCommand.class));
        commands.add(Command.create(VersionCommand.class));
        commands.add(Command.create(ShutdownCommand.class));
        commands.add(Command.create(SessionCommand.class));
        commands.add(Command.create(SystemPropertyCommand.class));
        commands.add(Command.create(SystemEnvCommand.class));
        commands.add(Command.create(RedefineCommand.class));
        commands.add(Command.create(HistoryCommand.class));
    }
}

調(diào)用shellServer.registerTermServer，shellServer.registerTermServer，shellServer.registerCommandResolve 注冊(cè)到ShellServer里，ShellServer是整個(gè)服務(wù)端的門面類，調(diào)用listen方法啟動(dòng)ShellServer。
ShellServer會(huì)使用一系列的類，細(xì)節(jié)比較復(fù)雜，可以見下面的類圖。

Arthas-服務(wù)端類圖.png

ShellServer#listen會(huì)調(diào)用所有注冊(cè)的TermServer的listen方法，比如TelnetTermServer。然后TelnetTermServer的listen方法會(huì)注冊(cè)一個(gè)回調(diào)類，該回調(diào)類在有新的客戶端連接時(shí)會(huì)調(diào)用TermServerTermHandler的handle方法處理。

        bootstrap = new NettyTelnetTtyBootstrap().setHost(hostIp).setPort(port);
        try {
            bootstrap.start(new Consumer<TtyConnection>() {
                @Override
                public void accept(final TtyConnection conn) {
                    termHandler.handle(new TermImpl(Helper.loadKeymap(), conn));
                }
            }).get(connectionTimeout, TimeUnit.MILLISECONDS);
            listenHandler.handle(Future.<TermServer>succeededFuture());

該方法會(huì)接著調(diào)用ShellServerImpl的handleTerm方法進(jìn)行處理，ShellServerImpl的handleTerm方法會(huì)調(diào)用ShellImpl的readline方法。該方法會(huì)注冊(cè)ShellLineHandler作為回調(diào)類，服務(wù)端接收到客戶端發(fā)送的請(qǐng)求行之后，會(huì)回調(diào)ShellLineHandler的handle方法處理請(qǐng)求。readline方法源碼如下：

    public void readline(String prompt, Handler<String> lineHandler, Handler<Completion> completionHandler) {
        if (conn.getStdinHandler() != echoHandler) {
            throw new IllegalStateException();
        }
        if (inReadline) {
            throw new IllegalStateException();
        }
        inReadline = true;
        // 注冊(cè)回調(diào)類RequestHandler，該類包裝了ShellLineHandler，處理邏輯還是在ShellLineHandler類里面
        readline.readline(conn, prompt, new RequestHandler(this, lineHandler), new CompletionHandler(completionHandler, session));
    }

處理客戶端請(qǐng)求

ShellLineHandler的handle方法會(huì)根據(jù)不同的請(qǐng)求命令執(zhí)行不同的邏輯：

如果是exit,logout,quit, jobs,fg,bg,kill等直接執(zhí)行。
如果是其他的命令，則創(chuàng)建Job，并運(yùn)行。創(chuàng)建Job的類圖如下：

服務(wù)端-創(chuàng)建job類圖.png

步驟比較多，就不一一細(xì)講，總之：
創(chuàng)建Job時(shí)，會(huì)根據(jù)具體客戶端傳遞的命令，找到對(duì)應(yīng)的Command，并包裝成Process, Process再被包裝成Job。
運(yùn)行Job時(shí)，反向先調(diào)用Process，再找到對(duì)應(yīng)的Command，最終調(diào)用Command的process處理請(qǐng)求。

Command處理流程

Command主要分為兩類：

不需要使用字節(jié)碼增強(qiáng)的命令
其中JVM相關(guān)的使用 java.lang.management 提供的管理接口，來查看具體的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)。比較簡(jiǎn)單，就不介紹了。
需要使用字節(jié)碼增強(qiáng)的命令
字節(jié)碼增強(qiáng)的命令，可以參考下圖：

arthas-command相關(guān)類圖.png

字節(jié)碼增加的命令統(tǒng)一繼承EnhancerCommand類，process方法里面調(diào)用enhance方法進(jìn)行增強(qiáng)。調(diào)用Enhancer類enhance方法，該方法內(nèi)部調(diào)用inst.addTransformer方法添加自定義的ClassFileTransformer，這邊是Enhancer類。

Enhancer類使用AdviceWeaver(繼承ClassVisitor)，用來修改類的字節(jié)碼。重寫了visitMethod方法，在該方法里面修改類指定的方法。visitMethod方法里面使用了AdviceAdapter（繼承了MethodVisitor類），在onMethodEnter方法, onMethodExit方法中，把Spy類對(duì)應(yīng)的方法（ON_BEFORE_METHOD， ON_RETURN_METHOD， ON_THROWS_METHOD等）編織到目標(biāo)類的方法對(duì)應(yīng)的位置。

在前面Spy初始化的時(shí)候可以看到，這幾個(gè)方法其實(shí)指向的是AdviceWeaver類的methodOnBegin， methodOnReturnEnd等。在這些方法里面都會(huì)根據(jù)adviceId查找對(duì)應(yīng)的AdviceListener，并調(diào)用AdviceListener的對(duì)應(yīng)的方法，比如before,afterReturning, afterThrowing。

通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)不同的Command使用不同的AdviceListener，從而實(shí)現(xiàn)不同的處理邏輯。下面找?guī)讉€(gè)常用的AdviceListener介紹下:

StackAdviceListener
在方法執(zhí)行前，記錄堆棧和方法的耗時(shí)。
WatchAdviceListener
滿足條件時(shí)打印打印參數(shù)或者結(jié)果，條件表達(dá)式使用Ognl語法。
TraceAdviceListener
在每個(gè)方法前后都記錄，并維護(hù)一個(gè)調(diào)用樹結(jié)構(gòu)。

arthas客戶端代碼分析

客戶端代碼在arthas-client模塊里面，入口類是com.taobao.arthas.client.TelnetConsole。主要使用apache commons-net jar進(jìn)行telnet連接，關(guān)鍵的代碼有下面幾步：

構(gòu)造TelnetClient對(duì)象，并初始化
構(gòu)造ConsoleReader對(duì)象，并初始化
調(diào)用IOUtil.readWrite(telnet.getInputStream(), telnet.getOutputStream(), System.in, consoleReader.getOutput())處理各個(gè)流，一共有四個(gè)流：

telnet.getInputStream()
telnet.getOutputStream()
System.in
consoleReader.getOutput()

請(qǐng)求時(shí)：從本地System.in讀取，發(fā)送到 telnet.getOutputStream()，即發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)端。
響應(yīng)時(shí)：從telnet.getInputStream()讀取遠(yuǎn)程服務(wù)端發(fā)送過來的響應(yīng)，并傳遞給 consoleReader.getOutput()，即在本地控制臺(tái)輸出。

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