java应用监测(7)-在线动态诊断神器BTrace

tags: java, troubleshooting, monitor,btrace

一句话概括： BTrace 是一个是强大的java线上应用检测工具（动态追踪工具），可以在不修改应用代码，不停应用服务的前提下检测代码运行情况，进而诊断问题，是生产环境下必备神器，本文将对它的使用进行讲解。

1 引言

BTrace 是一款开源软件， github 地址为： https://github.com/btraceio/btrace ，官网的介绍是 BTraceisa safe,dynamictracing toolfortheJavaplatform. ，它是安全的动态追踪java应用的工具，即可以动态地向目标应用的字节码注入追踪代码。何为动态？我们都知道，即在java应用启动的时候会把 class 文件加载到 JVM 运行，此时 class 代码功能是确定、静态的（无法变更），要想修改，只能是修改代码，重新编译、部署、启动。

而在处理线上应用时，我们经常需要查看代码运行情况，参数值、返回值查看，或者添加自己需要调试的日志等，在开发阶段，添加日志，重新启动没有问题，但在生产环境就不适用了（生产环境一般不轻易关停服务，而且即使可以重启，可能发生问题的现场就破坏了，无法重现问题），那么是否有方法在java应用运行期间，不重启程序的情况，动态加入自己想要监测（追踪）的内容？ Btrace 就是这样一个动态追踪神器，可以在不用重启的情况下监控应用运行情况，可以获取程序运行时的数据信息，如方法参数、返回值、全局变量和堆栈信息等。本文就是对 BTrace 进行运行原理和使用进行描述。

2 BTrace运行原理

2.1 class文件的动态修改替换

BTrace 是基于java的动态追踪技术来实现的。对于java开发人员，都清楚java程序的开发流程是写java代码，把它编译为class文件，然后在 JVM 中加载class运行。若此时想要在不停止应用的情况下对 class 进行修改来添加追踪内容，如在某个方法( method )中添加输出信息，主要是两件事情：

• (1)修改已经加载到  JVM 中的class，添加自定义输出

• (2)替换运行在JVM`中的class

第一步，修改，由于 JVM 运行的都是class文件，是不是可以直接修改字节码 class 文件就行了（当然，字节码文件的可读性远远没有Java代码高），但是已经有相应的框架可以做这件事，就是 ASM ，利用这框架，可以直接编辑字节码的框架，它也提供接口可以让我们方便地操作字节码文件，进行注入修改类的方法，动态创造一个新的类等等。 Spring 就是使用这种技术来实现动态代理的。

第二步，替换，如果对它进行替换，则需要用到java提供的 java.lang.instrument.Instrumentation ，它有两个接口 redefineClasses 和 retransformClasses ， redefineClasses 是自己提供字节码文件替换掉已存在的class文件， retransformClasses 是在已存在的字节码文件上修改后再替换。不过需要注意的是 instrument 的使用有限制的（不能添加、修改、删除已经有字段和方法，不能改变方法签名，改变继承属性等）：

2.2 BTrace的模块与运行流程

BTrace就是基于前面的技术来实现的，文章 《Java动态追踪技术探究》 （ https://mp.weixin.qq.com/s/_hSaI5yMvPTWxvFgl-UItA ）对动态追踪技术进行了详细说明，下面简要说明一下。

2.2.1 主要模块

• BTrace脚本：利用BTrace定义的注解，我们可以很方便地根据需要进行脚本的开发。

• Compiler：将BTrace脚本编译成BTrace class文件。

• Client：将class文件发送到Agent。

• Agent：基于Java的 AttachAPI ，Agent可以动态附着到一个运行的 JVM 上，然后开启一个 BTraceServer ，接收client发过来的BTrace脚本；解析脚本，然后根据脚本中的规则找到要修改的类；修改字节码后，调用 JavaInstrument 的 retransform 接口，完成对对象行为的修改并使之生效。

2.2.2 运行流程

运行流程图如下：

跟java源码一样，先编写 Btrace 脚本（也是java文件），编译（ compiler ），通过client发送给 agent ， agent 通过 attach api 添加到JVM并启动 agent server 来接收 client 发送过来的内容，然后底层是使用 ASM 修改字节码文件，之后使用 JavaInstrument 的 retransform 接口替换修改后的class文件，运行后的输出再通过 agent 发送到 client 进行显示。

3 BTrace安装

知道了 BTrace 的运行原理，现在可以安装实践一下。本文用的示例还是 java-monitor-example 。 BTrace 的安装很简单，开箱即用。

• 下载地址（当前最新版本是  [v1.3.11.3] ）：  https://github.com/btraceio/btrace/releases

• 解压到需要监测的java应用所在服务器中

• btrace 的命令在  bin 目录 下

• 若需要在任意目录可执行，需要把  btrace 设置到环境变量中(  export )

4 BTrace适用场景

基本上， BTrace 只适用于动态追踪类的输出信息，不能添加属性、删除方法，修改继承等，这跟前面提到的 Instrument 的限制是一致的。一般来说，使用 Btrace 进行线上应用监测，基于都属于日志输出类，多数包括以下几大场景：

• 查看某一个方法中入参和返回值

• 查看某一个方法的响应时间

• 查看某行代码是否有执行到

• 打印系统参数或JVM启动参数

• 打印方法调用的线程堆栈

• 出现异常时打印出现异常信息

5 BTrace使用

Btrace 作为一个独立运行的工具，默认只能在本地运行，也就是说，想要监测哪个正在运行的java应用，就需要把它解压到对应的服务器。本示例中运行的是 java-monitor-example 作为需要监测的java应用，然后就是根据监测业务需求，写脚本，运行脚本，查看输出了。

5.1 脚本编写

5.1.1 注解与BTraceUtils

Btrace 的脚本与编写java代码无异，不过相对简单很多，主要是使用 Btrace 提供的注解和 BTraceUtils ，注解用于告诉 Btrace 需要拦截的类、拦截时机、拦截位置等， BTraceUtils 用于提供打印输出种信息的功能。如官网给出的示例如下：

以上代码，表示，会拦截所有调用以 javax.swing 开头的方法，然后打印出类名和方法名。可以注意到注解有 @BTrace 、 @OnMethod 、 @ProbeClassName ， @ProbeMethodName ，而 print ， println 是 BTraceUtils 提供的静态方法。 BTraceUtils 还提供了很多打印方法(后面示例会提到)。另外，还要注意的是跟踪操作都需要在静态方法体内指定，因此都需要 static 方法。

另外，关于 BTrace 提供的注解，详细可以参考官方文档（ https://github.com/btraceio/btrace/wiki/BTrace-Annotations ）。主要包括以下：

其中， @OnMethod 用得比较多，需要重点说明一下，它主要是三个属性 clazz ， method 和 location 。

• clazz ：类的全路径名，如 me.mason.monitor.controller.UserController

• method ：要监测的方法名，如 getUsers

• location ：拦截时机，使用 @Location 注解。

@Location 又有以下几种：

• Kind.ENTRY ：在进入方法时调用

• Kind.RETURN ：方法执行完时调用，只有把拦截位置定义为  Kind.RETURN ，才能获取方法的返回结果  @Return 和执行时间  @Duration

• Kind.CALL ：方法中调用其它方法时调用

• Kind.LINE ：通过设置line，可以监控代码是否执行到指定的位置

• Kind.ERROR,Kind.THROW,Kind.CATCH ：异常情况的跟踪

5.1.2 关于编写

建议还是使用java的maven项目的开发环境进行编写，可以使用代码提示功能。写好后再放到对应需要监测的服务器中。不过编辑时需要引用对应的jar包( btrace-agent , btrace-boot , btrace-client )，对应的jar在下载的安装下的 build 目录下。通过 pom.xml 引入即可使用。如下所示：

5.2 脚本运行

打印帮助信息如下：

一般来说，在服务器上，直接是 btrace PID btraceFile.java ，然后查看输出（也可以把内容输出到文件中再查看，如 btrace PID btraceFile.java>info.txt ）。如果有使用到特定的jar包，则需要把参数 cp 或 classpath 加上。如下示例是把调用方法的返回值进行输出：

5.3 脚本示例

下面通过几个常用的示例来说明一下 BTrace 脚本的使用，脚本在示例工程 java-monitor-example 中的 btrace 目录下。 java-monitor-example 中，分别是一个 controller 和 service ，有如下方法定义，下面会根据这些方法进行动态追踪。

5.3.1 打印方法相关信息

• 打印调用方法时的参数(调用  UserController 的  getUsers 方法时打印)

• 打印调用方法时的返回值

• 执行到的行数(查看是否执行到  UserService 的39行)

• 执行方法的用时(  UserController 的  getUsers 方法用时多长)

5.3.2 打印系统属性及JVM属性

类似 JDK 的命令行工具 jinfo ，另外 jmap 及 jstatck 可查询官方示例。

5.3.3 打印异常输出

java 开发人员应该都知道， java 的异常分为 Error 和 Exception ，而它们都是 Throwable 的子类，即 java 中所有异常的父类都 Throwable ，因此追踪这个的构造函数，然后把堆栈打印出来即可。如下：

5.4 脚本限制

BTrace 对JVM来说是“只读的”，BTrace要做的是，虽然修改了字节码，但是主要是输出需要的信息，对整个程序的正常运行并没有影响。需要注意的是，由于是动态替换class文件，被修改的字节码是不会自动还原的。官方文档也有说明， BTrace 脚本会有以下限制：

• 不允许创建对象

• 不允许创建数组

• 不允许抛异常

• 不允许catch异常

• 不允许随意调用其他对象或者类的方法，只允许调用com.sun.btrace.BTraceUtils中提供的静态方法（一些数据处理和信息输出工具）

• 不允许改变类的属性

• 不允许有成员变量和方法，只允许存在static public void方法

• 不允许有内部类、嵌套类

• 不允许有同步方法和同步块

• 不允许有循环

• 不允许随意继承其他类（当然，java.lang.Object除外）

• 不允许实现接口

• 不允许使用assert

• 不允许使用Class对象

6 一些经验

• 搭建使用java的maven项目的开发环境进行脚本编写，引入相应的jar，以提供代码提示功能。

• 查看官方提供的例子，在下载包中已提供例子，位置：  btrace-bin-1.3.11.3\samples 目录

• BTrace 脚本中追踪的输入参数，返回值类型是简单类型直接使用（如int ,float等），复杂类型可以使用  AnyType ，但如果是使用自定义包中的类型（如User），则需要运行脚本时添加  cp 或  classpath 参数，指定自定义包。

• 一般简单类型或字符串，直接使用  print 或  println ，打印对象属性可使用  printFields ，打印  List ，可以使用  BTraceUtils.println(BTraceUtils.str(list))

• 在探查方法的最后一行打印分隔，强烈建议。可能是由于输出有缓冲区延迟，如果不输出分隔，有可能会无法输出或者输出后内容没有分隔。分隔可使用  BTraceUtils.println 或  BTraceUtils.println("============") 。

7 总结

对于线上的java应用，如果想不停服务进行日志输出来诊断问题，动态追踪技术是必不可少的技术，而 Btrace 是使用此技术来实现动态追踪的有力工具。本文从 Btrace 的运行原理、安装、适用场景、脚本编写、运行等方面进行了详细描述，希望可以帮助大家加深 Btrace 的了解，更方便、有效率地解决线上问题。

参数资料

• BTrace 官网： 

  https://github.com/btraceio/btrace

• BTrace 注解： 

  https://github.com/btraceio/btrace/wiki/BTrace-Annotations

• 示例代码地址： 

  https://github.com/mianshenglee/my-example/tree/master/java-monitor-example

• Java动态追踪技术探究： 

  https://mp.weixin.qq.com/s/_hSaI5yMvPTWxvFgl-UItA

• BTrace原理浅析： 

  https://www.rowkey.me/blog/2016/09/20/btrace/