自己实现字节码增强

涉及技术：

JVMTI ，javaagent，Attach API， Instrument ，Javassist

JVMTI：

JVM TI(JVM TOOL INTERFACE，JVM 工具接口)是 JVM 提供的一套对 JVM 进行操作的工具接口。通过JVMTI，可以实现对 JVM 的多种操作，它通过接口注册 各种事件勾子，在 JVM 事件触发时，同时触发预定义的勾子，以实现对各个 JVM 事件的响应，事件包括类文件加载、异常产生与捕获、线程启动和结束、进入和退 出临界区、成员变量修改、GC开始和结束、方法调用进入和退出、临界区竞争与等 待、VM 启动与退出等等。

javaagent

Agent 就是 JVMTI 的一种实现，Agent 有两种启动方式，一是随 Java 进 程启动而启动;二是运行时载入，通过 attach API，将模块(jar 包)动态地 Attach 到指定进程 id 的 Java 进程内。

Attach API

Attach API 的作用是提供 JVM 进程间通信的能力，比如说我们为了让另外一 个 JVM 进程把线上服务的线程 Dump 出来，会运行 jstack 或 jmap 的进程，并传 递 pid 的参数，告诉它要对哪个进程进行线程 Dump，这就是 Attach API 做的事情。

Instrument

instrument 是 JVM 提供的一个可以修改已加载类的类库，专门为 Java 语言编 写的插桩服务提供支持。它需要依赖 JVMTI的 Attach API 机制实现。

Javassist

Javassist是一个开源的分析、编辑和创建Java字节码的类库，可以直接使用java编码的形式，而不需要了解虚拟机指令，就能动态改变类的结构，或者动态生成类。

实现

因为javaagent有两种实现方式，但是我们想要实现的是在不停机的情况下进行字节码增强，所以选择使用Attach API进行动态载入。使用 javaagent 需要几个步骤：

1. 定义一个 MANIFEST.MF 文件，必须包含 Agent-Class 选项，通常也会加入Can-Redefine-Classes 和 Can-Retransform-Classes 选项。
   
2. 创建一个Agent-Class 指定的类，类中包含 agentmain 方法，方法逻辑由用户自己确定。

public class AgentMainTest{
	public static void agentmain( String agentArgs, Instrumentation instrumentation ){
		// 指定我们自己定义的 Transformer，在其中利用 Javassist 做字节码替换
		instrumentation.addTransformer( new DefineTransformer(), true );
		try{
			instrumentation.retransformClasses( Base.class );
			System.out.println( "Agent Load Done." );
		}
		catch( UnmodifiableClassException e ){
			System.out.println( "agent load failed!" );
		}
	}
}

public class DefineTransformer implements ClassFileTransformer{
	
	// 类文件加载的时候调用
	@Override
	public byte[] transform( ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain,
			byte[] classfileBuffer ){

		try{
			ClassPool cp = ClassPool.getDefault();
			CtClass cc = cp.get( "com.bj58.jvmti.Base" );
			CtMethod m = cc.getDeclaredMethod( "run" );
			// 解冻class，以便修改class内容
			cc.defrost();
			m.insertBefore( "{ System.out.println(\"run() start\"); }" );
			m.insertAfter( "{ System.out.println(\"run() end\"); }" );
			return cc.toBytecode();
		}
		catch( Exception e ){
			e.printStackTrace();
		}
		return null;
	}

}

4. 将 agentmain 的类和 MANIFEST.MF 文件打成 jar 包。
5. 最后利用 Attach API，将我们打包好的 jar 包 Attach 到指定的 JVM pid 上代码如下

public class TestAgentMain {
    public static void main(String[] args) throws IOException, AttachNotSupportedException, AgentLoadException, AgentInitializationException{
        System.out.println("running JVM start ");
        // 使用attach api, Attach到目标 JVM 上，建立通信管道
        VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach("15219");
        // 让目标JVM加载Agent
        vm.loadAgent("/Users/benettchen/Desktop/javaagent.jar");
    }
}

Base类

public class Base{

	public static void main( String[] args ){

		System.out.println( "pid:" + populateProcessId() );
		while( true ){
			try{
				Thread.sleep( 3000L );
			}
			catch( Exception e ){
				break;
			}
			run();
		}
	}

	private static void run(){

		System.out.println( "working..." );
	}

	private static String populateProcessId(){
		/*
		 * runtimeMXBean.getName()取得的值包括两个部分：PID和hostname，两者用@连接。
		 */
		RuntimeMXBean runtimeMXBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean();
		return runtimeMXBean.getName().split( "@" )[ 0 ];
	}
}

运行流程梳理：

1. 首先编写agent项目，并其打包成jar包。
2. 启动Base这个Java进程，获取该进程id。
3. 启动TestAgentMain，将jar包动态的attach到目标jvm（Base进程）上
4. 在attach后，由于在MANIFEST.MF 中指定了 Agent-Class，所以会走到AgentMainTest的agentmain方法。
5. 使用javassist修改Base类的字节码，然后利用Instrumentation完成类的重新加载。

以下为运行时重新载入jar的效果：

从运行结果可以看出，在载入jar包后，在run方法前后分别输出了“run() start”和“run() end”，实现了在运行时字节码增强并重新载入到jvm的目的。

闲话：
自己动手实现完对Java运行程序字节码动态增强后，突然感觉可以利用这个技术对Java程序开挂，哈哈。想到自己的idea是Java语言编写的，而且也是通过jar包进行破解的，就想看看它的实现是否是按照这个思路。于是乎兴奋的将破解的jar包进行反编译，发现了惊奇的一幕：


它用的正是javaagent的第一种实现，在JVM启动时进行加载，所以在使用这个jar包后，需要重启idea。