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低版本skywalking与LinkAgent不兼容

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我们在github上收到社区用户的问题反馈：

低版本skywalking与LinkAgent不兼容

用户原先应用已经接入skywalking，需要再接入数列的LinkAgent时启动会抛java.lang.UnsupportedOperationException，导致应用启动失败。

低版本skywalking与LinkAgent不兼容

也就是说在不修改代码的情况下如果需要启动应用，skywalking和LinkAgent只能存在一个，两者不能同时存在。skywalking与LinkAgent不兼容该如何解决？本文将围绕这个问题的详细展开。 skywalking是分布式系统的应用程序性能监视工具，大家相对熟悉，可有的人并不了解Agent，这里稍微科普一下：

agent是什么

介绍javaagent之前也要介绍另一个概念JVMTI。 JVMTI是JDK提供的一套用于开发JVM监控, 问题定位与性能调优工具的通用编程接口（API）。 通过JVM TI，我们可以开发各式各样的JVMTI Agent。这个Agent的表现形式是一个以C/C++语言编写的动态共享库。 javaagent可以帮助我们快速使用JVMTI的功能，又不需要重写编写C/C++的底层库。

javaagent是依赖java底层提供的一个叫instrument的JVMTI Agent。这个agent又叫JPLISAgent(Java Programming Language Instrumentation Services Agent)

简单来说，javaagent是一个JVM的“插件”。 在java运行命令中 javaagent是一个参数，用来指定agent。

agent能干什么

  • 可以在加载class文件之前进行拦截并把字节码做修改。
  • 可以在运行期对已加载类的字节码做变更，但是这种情况下会有很多的限制。
  • 还有其他一些小众的功能
    • 获取所有已经加载过的类
    • 获取所有已经初始化过的类（执行过 clinit 方法，是上面的一个子集）
    • 获取某个对象的大小
    • 将某个jar加入到bootstrap classpath里作为高优先级被bootstrapClassloader 加载
    • 将某个jar加入到classpath里供AppClassloard去加载
    • 设置某些native方法的前缀，主要在查找native方法的时候做规则匹配

总的来说可以让JVM按照我们的预期逻辑去执行。 最主要的也是使用最广的功能就是对字节码的修改。通过对字节码的修改我们就可以实现对JAVA底层源码的重写，也正好可以满足我之前的需求。 我们还可以做：

  • 完全非侵入式的进行代码埋点，进行系统监控
  • 修改JAVA底层源码，进行JVM自定义
  • 实现AOP动态代理

agent 的两种使用方式

  1. 在 JVM 启动的时候加载，通过 javaagent 启动参数 java -javaagent:myagent.jar MyMain，这种方式在程序 main 方法执行之前执行 agent 中的 premain 方法
public static void premain(String agentArgument, Instrumentation instrumentation) throws Exception
  1. 在 JVM 启动后 Attach，通过 Attach API 进行加载，这种方式会在 agent 加载以后执行 agentmain 方法
public static void agentmain(String agentArgument, Instrumentation instrumentation) throws Exception

这两个方法都有两个参数

第一个 agentArgument 是 agent 的启动参数，可以在 JVM 启动命令行中设置，比如java -javaagent:<jarfile>=appId:agent-demo,agentType:singleJar test.jar的情况下 agentArgument 的值为 “appId:agent-demo,agentType:singleJar”。

第二个 instrumentation 是 java.lang.instrument.Instrumentation 的实例，可以通过 addTransformer 方法设置一个 ClassFileTransformer。

第一步：问题分析

异常信息是说在重新定义某个类的时候，原先的父类或者接口类发生了改变，导致重新定义失败。可是在没有使用skywalking的时候，数列LinkAgent与其他的一些agent并没有出现过类似的兼容性问题。 在github上搜索发现发现有人提过skywalking和arthas的兼容性问题。链接🔗

低版本skywalking与LinkAgent不兼容

问题原因skywalking官方也给出了答复： 当 Java 应用程序启动时，SkyWalking 代理使用 ByteBuddy 转换类。 ByteBuddy 每次都会生成具有不同随机名称的辅助类。 当另一个 Java 代理重新转换同一个类时，它会触发 SkyWalking 代理再次增强该类。 由于 ByteBuddy 重新生成了字节码，修改了字段和导入的类名，JVM 对类字节码的验证失败，因此重新转换类将不成功。

低版本skywalking与LinkAgent不兼容

所以问题还是由ByteBuddy产生的，而数列agent底层使用的是ASM不会产生对应的问题。

第二步：本地复现

从前面的分析已经得知skywalking与LinkAgent的不兼容问题背后的原因，可要想有效解决就得先本地复现这个问题，编写DemoApplication手动的去触发retransform，并且在retransform前后打印jvm中的所有类名。代码地址🔗

@SpringBootApplication
public class DemoApplication {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, UnmodifiableClassException {
        SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
        test();
    }

    public static void test() throws InterruptedException, UnmodifiableClassException {
        Instrumentation instrumentation = ByteBuddyAgent.install();

        System.err.println("before =============");
        printAllTestControllerClasses(instrumentation);

        reTransform(instrumentation);
        reTransform(instrumentation);
        reTransform(instrumentation);

        System.err.println("after =============");
        printAllTestControllerClasses(instrumentation);
    }

    public static void reTransform(Instrumentation instrumentation) throws UnmodifiableClassException {
        ClassFileTransformer transformer = new ClassFileTransformer() {
            @Override
            public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
                ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
                return null;
            }
        };
        try {
            instrumentation.addTransformer(transformer, true);
            try {
                instrumentation.retransformClasses(TestController.class);
            } catch (Throwable e) {
                e.printStackTrace();
            }

        } finally {
            instrumentation.removeTransformer(transformer);
        }

    }

    public static void printAllTestControllerClasses(Instrumentation instrumentation) {
        Class<?>[] classes = instrumentation.getAllLoadedClasses();
        for (Class<?> clazz : classes) {
            if (clazz.getName().startsWith(TestController.class.getName())) {
                System.out.println(clazz.getName());
            }
        }
    }

1.不加skywalking直接启动

结果如下：在retransform前后都是有 com.example.demo.TestController

低版本skywalking与LinkAgent不兼容

2.指定skywalking启动

通过 -javaagent:${path}/apache-skywalking-apm-6.4.0-bin/agent/skywalking-agent.jar 启动参数来运行项目。 发现在retransform之前多生成了 com.example.demo.TestController$auxiliary$tTwQs5Cs和com.example.demo.TestController$auxiliary$rZrClpy4 两个类。 在retransform的时候抛出了java.lang.UnsupportedOperationException retransform之后又多生成了三个匿名内部类。

低版本skywalking与LinkAgent不兼容

第三步：给出合理的解决方案

1.添加jvm的启动参数

skywalking官方8.1.0以后的版本可以通过添加jvm的启动参数来解决这个问题。

-Dskywalking.agent.is_cache_enhanced_class=true 
-Dskywalking.agent.class_cache_mode=MEMORY

也可以通过 -Dskywalking.agent.class_cache_mode=MEMORY 或 -Dskywalking.agent.class_cache_mode=FILE 命令来指定是通过内存缓存还是文件缓存。

注意：但是这些参数在8.1.0以后的skywalking中才有，低于8.1.0版本的skywalking还是无法解决上述问题。

2.新写额外的agent来实现 skywalking cache功能

低于 8.1.0 版本的skywalking可以新写一个额外的agent来实现 skywalking cache的功能。 问题原因是skywalking重新retransform的时候重新生成了匿名内部类导致的问题，所以只需要在skywalking对应的transformer进行 retransform的时候使其走缓存即可解决这个问题。

  • 确定切点

通过debug发现skywalking是由 org.apache.skywalking.apm.dependencies.net.bytebuddy.agent.builder.AgentBuilder$Default$ExecutingTransformer 的transform方法进行retransform的。

public byte[] transform(ClassLoader classLoader,
                        String internalTypeName,
                        Class<?> classBeingRedefined,
                        ProtectionDomain protectionDomain,
                        byte[] binaryRepresentation) {
    // ... 忽略实现
}
  • 对切点进行字节码增强

    public static void premain(final String agentArgs, final Instrumentation instrumentation) throws Exception {
        System.err.println("====== skywalking-byte-buddy-agent ======");
        // 预处理启动参数
        AgentConfig.instance().initConfig();

        if (AgentConfig.enable) {
            System.err.println("=== begin start skywalking-byte-buddy-agent ===");
            System.out.println("=== cacheMode is " + AgentConfig.cacheMode + " ===");
            AgentBuilder.Transformer transformer = (builder, typeDescription, classLoader, javaModule) -> builder
                    // 拦截transform方法
                    .method(ElementMatchers.hasMethodName("transform")
                                    .and(ElementMatchers.takesArguments(5))
                    )
                    // 委托
                    .intercept(MethodDelegation.to(CacheInterceptor.class));

            new AgentBuilder
                    .Default()
                    // 指定需要拦截的类
                    .type(ElementMatchers.named("org.apache.skywalking.apm.dependencies.net.bytebuddy.agent.builder.AgentBuilder$Default$ExecutingTransformer"))
                    .transform(transformer)
                    .installOn(instrumentation);

            System.err.println("=== end start skywalking-byte-buddy-agent ===");
        } else {
            System.err.println("=== enable is false, not start skywalking-byte-buddy-agent ===");
        }
    }
  • 自定义Interceptor

/**
 * @Description 缓存拦截器
 * @Author ocean_wll
 * @Date 2021/8/5 11:53 上午
 */
public class CacheInterceptor {

    @RuntimeType
    public static Object intercept(@Origin Method method, @AllArguments Object[] args,
                                   @SuperCall Callable<?> callable) {
        Object returnObj = null;

        try {
            // 校验参数
            if (checkArgs(args)) {
                ClassLoader classLoader = (ClassLoader) args[0];
                String className = (String) args[1];

                // 获取缓存中的value
                byte[] bytes = Cache.getClassCache(classLoader, className);
                if (bytes != null) {
                    return bytes;
                }
                // 调用原有方法
                returnObj = callable.call();
                if (returnObj != null) {
                    // 如果缓存中没有，并且原方法执行结果不为null，则放入缓存中
                    Cache.putClassCache(classLoader, className, (byte[]) returnObj);
                }
            } else {
                // 会出现classloader为null的情况，但还是需要去执行transform
                returnObj = callable.call();
            }
            return returnObj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return returnObj;
    }

    /**
     * 因为拦截的方法是五个参数，jvm中类的唯一性是根据classloader和className来确定的，所以进行增强前对方法参数进行一次校验避免方法增强错误
     * <p>
     * 需要增强的方法
     * public byte[] transform(ClassLoader classLoader,
     * String internalTypeName,
     * Class<?> classBeingRedefined,
     * ProtectionDomain protectionDomain,
     * byte[] binaryRepresentation) {
     * if (circularityLock.acquire()) {
     * try {
     * return AccessController.doPrivileged(new AgentBuilder.Default.ExecutingTransformer.LegacyVmDispatcher(classLoader,
     * internalTypeName,
     * classBeingRedefined,
     * protectionDomain,
     * binaryRepresentation), accessControlContext);
     * } finally {
     * circularityLock.release();
     * }
     * } else {
     * return NO_TRANSFORMATION;
     * }
     * }
     *
     * @param args 方法入参
     * @return true校验通过，false校验失败
     */
private static boolean checkArgs(Object[] args) {
        // 先校验参数个数
        if (args.length == 5) {
            // 校验第一个参数，第一个参数类型是classLoader
            boolean arg0IsTrue = args[0] != null && args[0] instanceof ClassLoader;
            // 校验第二个参数，第二个参数表示的是类名，类型为String
            boolean agr1IsTrue = args[1] != null && args[1] instanceof String;
            return arg0IsTrue && agr1IsTrue;
        }
        return false;
    }
}
  • 定义ClassCacheResolver

通过不同的ClassCacheResolver来采用不同的缓存策略

/**
 * @Description cacheResolver接口
 * @Author ocean_wll
 * @Date 2021/8/5 4:02 下午
 */
public interface ClassCacheResolver {

    /**
     * 获取class缓存
     *
     * @param loader    ClassLoader
     * @param className 类名
     * @return byte数组
     */
byte[] getClassCache(ClassLoader loader, String className);

    /**
     * 存放class缓存
     *
     * @param loader          ClassLoader
     * @param className       类名
     * @param classfileBuffer 字节码数据
     */
void putClassCache(ClassLoader loader, String className, byte[] classfileBuffer);
}
  • 定义内存缓存器
/**
 * @Description 内存缓存解析器
 * @Author ocean_wll
 * @Date 2021/8/5 4:03 下午
 */
public class MemoryCacheResolver implements ClassCacheResolver {

    /**
     * key为 classloader+className，value为 字节码
     */
private final Map<String, byte[]> classCacheMap = new ConcurrentHashMap<>();

    @Override
    public byte[] getClassCache(ClassLoader loader, String className) {
        String cacheKey = getCacheKey(loader, className);
        return classCacheMap.get(cacheKey);
    }

    @Override
    public void putClassCache(ClassLoader loader, String className, byte[] classfileBuffer) {
        String cacheKey = getCacheKey(loader, className);
        classCacheMap.put(cacheKey, classfileBuffer);
    }


    /**
     * 获取缓存key ClassLoaderHash(loader) + "@" + className
     *
     * @param loader    ClassLoader
     * @param className 类名
     * @return 缓存key
     */
private String getCacheKey(ClassLoader loader, String className) {
        return Cache.getClassLoaderHash(loader) + "@" + className;
    }
}
  • 验证结果

在skywalking javaagent参数前 加上 -javaagent:${jarPath}/skywalking-byte-buddy-cache-agent-1.0.0.jar 确保在skywalking agent启动之前已经对skywalking的类进行增强了。

低版本skywalking与LinkAgent不兼容

可以看到加了自定义的agent以后多次retransform并不会抛出java.lang.UnsupportedOperationException，并且retransform前后也没有产生新的匿名内部类了。

完整代码🔗

一点个人的思考

1、可插拔、不侵入代码

这个问题其实skywalking官方已经给出了解决方案，但是官方的解决方案只对 8.1.0及以上版本才会生效。对于无法升级skywalking版本还在使用低版本的用户来说就需要另辟蹊径了。 第一种方法：修改低版本的skywalking的源码，重新打包。但是必须十分了解skywalking源码的人才能去干，否则免不齐又会引入什么新的问题。实现难度非常高。 第二种方法：自己写一个agent，修改字节码。这种方式灵活方便，即不干预原来的代码，又可以根据自己想要的进行调整。实现难度一般。 所以以后在类似的问题上，能不修改原有代码就尽量不修改原有代码，除非你非常了解原来的业务逻辑，不然在不清楚的情况下随意修改风险太大了。

2、最小改动

在这个问题里我可以对所有的 transformer 的 transform 方法进行切入，但这样就会导致缓存数据过多，有些根本不会出现问题的数据也被缓存起来了导致资源浪费。 所以还是得找到最核心的问题点进行修改，确保这次改动的影响面是最小的。

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上一篇 2021年8月3日 下午8:06
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