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什么是Java Instrumentation API？

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Java Instrumentation API是Java SE 5.0引入的一个功能强大的API，用于Java普通类字节码程序级别的监控、修改和增强。它可以动态加载并在运行期对字节码进行修改，可以用于诊断、监控、性能分析、测试等领域。下面我们将详细介绍Java Instrumentation API的使用攻略，包含两条示例说明。

1. 引入Instrumentation API

在使用Java Instrumentation API之前，首先需要在程序中引入该API。在类中定义一个代理static Instrumentation 实例来暴露出该API，代码如下：

public class InstrumentationAgent {
    private static Instrumentation instrumentation;

    public static void premain(String args, Instrumentation inst){
        instrumentation = inst;
    }

    public static Instrumentation getInstrumentation(){
        return instrumentation;
    }
}

在premain方法中将传入的Instrumentation实例赋值给静态变量instrumentation。这里需要注意，premain方法的参数中，第一个参数是由JVM定义的附加参数，用于传递参数信息。同时，需要在MANIFEST.MF文件中指定Agent-Class和Premain-Class属性，以便在运行程序时自动启动instrumentation代理。这个具体操作方法请自行查阅相关文档。

2. 添加Transformer

Instrumentation API中的一个核心方法是addTransformer，它可以为一个已经定义的类或正在加载的类添加一个字节码转换器，使得在类被加载时动态修改其字节码。下面我们将演示如何添加一个Transformer来改变某个类的字节码。

public class MyTransformer implements ClassFileTransformer {
    public byte[] transform(ClassLoader l, String name, Class<?> c, ProtectionDomain d, byte[] b) {
        if(name.equals("com.example.test.TestClass")){
            ClassReader classReader = new ClassReader(b);
            ClassWriter classWriter = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES);

            MyClassVisitor classVisitor = new MyClassVisitor(classWriter);

            classReader.accept(classVisitor, 0);

            return classWriter.toByteArray();
        }

        return b;
    }
}

在上面的代码中，我们定义了一个转换器类MyTransformer，它实现了ClassFileTransformer接口。其中transform方法是关键代码，可通过该方法来处理目标类的字节码。该方法的参数有五个，分别是：

  • l：目标类的ClassLoader
  • name：目标类的完全限定名，使用“/”作为分隔符
  • c：要转换的目标类的Class对象
  • d：目标类的ProtectionDomain
  • b：目标类的字节码数组

在transform方法中，我们可以通过name参数来判断目标类是否需要被修改。在这个例子中，我们只修改com.example.test.TestClass这个类。如果需要修改，则我们通过ASM框架来读取、修改并生成目标类的字节码。在这个例子中，我们使用了ASM框架来为com.example.test.TestClass类添加一个字段。

接下来，在实际使用中，我们需要通过Agent来将Transformer加载到JVM中：

public class MyAgent {
    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
        inst.addTransformer(new MyTransformer());
    }
}

在上述代码中，我们通过addTransformer方法将MyTransformer类加载到JVM中，这样当测试类第一次被加载时，字节码转换器就会被触发，对目标测试类中的字节码进行修改。

3. 利用Transformer实现类的热替换

Java Instrumentation API可以利用它的ClassFileTransformer与第三方的工具进行联动，实现类的热替换。以JRebel为例，对Tomcat服务进行操作，可以达到热替换的效果。JRebel涉及的实现原理可以参考相关资料学习。在这里我们简单介绍一下如何使用Java Instrumentation API来实现类的热替换。

public class MyTransformer implements ClassFileTransformer {
    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) {
        String resource = className.replace('/', '.');

        if(resource.startsWith("com.example")) {
            URL url = loader.getResource(resource.replace('.', '/') + ".class");
            File classFile = new File(url.getFile());

            FileInputStream fis = null;
            try {
                fis = new FileInputStream(classFile);
            } catch (FileNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            byte[] fileData = new byte[(int)classFile.length()];
            try {
                fis.read(fileData);
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            return fileData;
        } else {
            return classfileBuffer;
        }
    }
}

在上述代码中，我们添加了一个transform方法，该方法中会根据类的包路径和名称，进行JRebel的相关资源加载。当资源修改后，transform方法将会返回修改后的新的类。这样，就实现了类的热替换。

如上，我们详细介绍了Java Instrumentation API的使用攻略，其中包括了添加Transformer和实现类的热替换两个部分。需要注意的是，实用Instrumentation API进行类的修改和增强时，需要配合ASM框架进行操作。我们还针对每个操作给出了详细的步骤和代码示例。

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