深入字节码 -- 计算方法执行时间

 OneAPM  2016-02-29

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Application Insight Java

什么是字节码？

Java程序通过javac编译之后生成文件.class就是字节码集合,正是有这样一种中间码(字节码)，使得scala/groovy/clojure等函数语言只用实现一个编译器即可运行在JVM上。看看一段简单代码。

    public long getExclusiveTime() {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.printf("exclusive code");
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        return endTime - startTime;
    }
    public class com.blueware.agent.StartAgent {

编译后通过命令(javap -c com.blueware.agent.StartAgent)查看,具体含义请参考oracle

    public com.blueware.agent.StartAgent();
        Code:
           0: aload_0
           1: invokespecial #1  // Method java/lang/Object."<init>":()V
           4: return

      public long getExclusiveTime();
        Code:
           0: invokestatic  #2                  // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J
           3: lstore_1
           4: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
           7: ldc           #4                  // String exclusive code
           9: iconst_0
          10: anewarray     #5                  // class java/lang/Object
          13: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.printf:(Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/io/PrintStream;
          16: pop
          17: invokestatic  #2                  // Method java/lang/System.currentTimeMillis:()J
          20: lstore_3
          21: lload_3
          22: lload_1
          23: lsub
          24: lreturn
    }

为什么要学习字节码？

能了解技术背后的原理，更容易写出高质量代码；
字节码设计非常优秀，发展十几年只仅仅删除和增加几个指令，学懂之后长期受益高，如果懂字节码再学习scala/groovy/clojure会容易很多；
开发框架、监控系统、中间件、语言字节码技术都是必杀技；

字节码框架(`ASM/Javassist`)

操作字节码框架有很多，具体可以参考博文，下面对比ASM/Javassist

|选项 | 优点 |缺点 | |--------------|----------|-------------| |ASM |速度快、代码量小、功能强大|要写字节码、学习曲线高| |Javassist|学习简单，不用写字节码|比ASM慢，功能少|

`Java Instrumentation`介绍

指的是可以用独立于应用程序之外的代理(agent)程序,agent程序通过增强字节码动态修改或者新增类，利用这样特性可以设计出更通用的监控、框架、中间件程序，在JVM启动参数加–javaagent:agent_jar_path/agent.jar即可运行(在JDK5及其后续版本才可以)，更多关于Instrumentation知识请参考博文

计算方法执行时间方式

直接在代码开始和结束出打印当前时间，相减即可得到;
实现一个动态代理，或者借助Spring/AspectJ等框架;
上面两种实现方式都需要修改代码或者配置文件，下面我要介绍方式不仅不需要修改代码，而且效率高;

具体实现方式

1.StartAgent类必须提供premain方法，代码如下:

    public class StartAgent {
        //代理程序入口函数
        public static void premain(String args, Instrumentation inst) {
            System.out.println("agent begin");
            //添加字节码转换器
            inst.addTransformer(new PrintTimeTransformer());
            System.out.println("agent end");
        }
    }

2.PrintTimeTransformer实现一个转换器，代码如下:

        //字节码转化器类
    public class PrintTimeTransformer implements ClassFileTransformer {

        //实现字节码转化接口，一个小技巧建议实现接口方法时写@Override，方便重构
        //loader:定义要转换的类加载器，如果是引导加载器，则为 null(在这个小demo暂时还用不到)
        //className:完全限定类内部形式的类名称和中定义的接口名称，例如"java.lang.instrument.ClassFileTransformer"
        //classBeingRedefined:如果是被重定义或重转换触发，则为重定义或重转换的类；如果是类加载，则为 null
        //protectionDomain:要定义或重定义的类的保护域
        //classfileBuffer:类文件格式的输入字节缓冲区（不得修改）
        //一个格式良好的类文件缓冲区（转换的结果），如果未执行转换,则返回 null。
        @Override public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer)
                throws IllegalClassFormatException {
            //简化测试demo，直接写待修改的类(com/blueware/agent/TestTime)
            if (className != null && className.equals("com/blueware/agent/TestTime")) {
                //读取类的字节码流
                ClassReader reader = new ClassReader(classfileBuffer);
                //创建操作字节流值对象，ClassWriter.COMPUTE_MAXS:表示自动计算栈大小
                ClassWriter writer = new ClassWriter(reader, ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
                //接受一个ClassVisitor子类进行字节码修改
                reader.accept(new TimeClassVisitor(writer, className), 8);
                //返回修改后的字节码流
                return writer.toByteArray();
            }
            return null;
        }
    }

3.TimeClassVisitor类访问器，实现字节码修改，代码如下:

        //定义扫描待修改class的visitor，visitor就是访问者模式
    public class TimeClassVisitor extends ClassVisitor {
        private String className;

        public TimeClassVisitor(ClassVisitor cv, String className) {
            super(Opcodes.ASM5, cv);
            this.className = className;
        }

        //扫描到每个方法都会进入，参数详情下一篇博文详细分析
        @Override public MethodVisitor visitMethod(int access, final String name, final String desc, String signature, String[] exceptions) {
            MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);
            final String key = className + name + desc;
            //过来待修改类的构造函数
            if (!name.equals("<init>") && mv != null) {
                mv = new AdviceAdapter(Opcodes.ASM5, mv, access, name, desc) {
                    //方法进入时获取开始时间
                    @Override public void onMethodEnter() {
                        //相当于com.blueware.agent.TimeUtil.setStartTime("key");
                        this.visitLdcInsn(key);
                        this.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "com/blueware/agent/TimeUtil", "setStartTime", "(Ljava/lang/String;)V", false);
                    }

                    //方法退出时获取结束时间并计算执行时间
                    @Override public void onMethodExit(int opcode) {
                        //相当于com.blueware.agent.TimeUtil.setEndTime("key");
                        this.visitLdcInsn(key);
                        this.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "com/blueware/agent/TimeUtil", "setEndTime", "(Ljava/lang/String;)V", false);
                        //向栈中压入类名称
                        this.visitLdcInsn(className);
                        //向栈中压入方法名
                        this.visitLdcInsn(name);
                        //向栈中压入方法描述
                        this.visitLdcInsn(desc);
                        //相当于com.blueware.agent.TimeUtil.getExclusiveTime("com/blueware/agent/TestTime","testTime");
                        this.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, "com/blueware/agent/TimeUtil", "getExclusiveTime", "(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)J", false);
                    }
                };
            }
            return mv;
        }
    }

4.TimeClassVisitor记录时间帮助类，代码如下:

  public class TimeUtil {
        private static Map<String, Long> startTimes = new HashMap<String, Long>();
        private static Map<String, Long> endTimes   = new HashMap<String, Long>();

        private TimeUtil() {
        }

        public static long getStartTime(String key) {
            return startTimes.get(key);
        }

        public static void setStartTime(String key) {
            startTimes.put(key, System.currentTimeMillis());
        }

        public static long getEndTime(String key) {
            return endTimes.get(key);
        }

        public static void setEndTime(String key) {
            endTimes.put(key, System.currentTimeMillis());
        }

        public static long getExclusiveTime(String className, String methodName, String methodDesc) {
            String key = className + methodName + methodDesc;
            long exclusive = getEndTime(key) - getStartTime(key);
            System.out.println(className.replace("/", ".") + "." + methodName + " exclusive:" + exclusive);
            return exclusive;
        }
    }

题记

上面的代码难免有bug，如果你发现代码写的有问题，请你帮忙指出，让我们一起进步，让代码变的更漂亮和健壮;
顺便打点广告，如果看后对字节码技术感兴趣，欢迎加入我们oneapm，一起做点有意思事情，可直接联系我;
完整代码请访问github;
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