1.引言
在现代软件开发过程中，性能优化和故障排查是保证应用稳定运行的关键任务之一。Java作为一种广泛使用的编程语言，其生态中涌现出了许多优秀的监控和诊断工具，诸如：SkyWalking、Zipkin等，它们帮助开发者和运维人员深入了解应用的运行状态，快速定位和解决问题。在京东内部，则使用的是自研的pfinder。
本文旨在深入探讨pfinder的核心原理和架构设计，揭示它是如何实现应用全链路监控的。我们将从pfinder的基本概念和功能开始讲起，逐步深入到其具体实现机制。
1.pfinder概述
2.1.pfinder简介
PFinder (problem finder) 是UMP团队打造的新一代APM（应用性能追踪）系统，集调用链追踪、应用拓扑、多维监控于一身，无需修改代码，只需要在启动文件增加 2 行脚本，便可实现接入。接入后便会对应用提供可观测能力，目前支持京东主流的中间件，包括：jimdb，jmq，jsf，以及一些常用的开源组件：tomcat、http client，mysql，es等。
2.2.pfinder功能
PFinder 除了具备 ump 现有功能的基础上，增加了以下重磅功能:
•多维监控: 支持按多个维度统计监控指标，按机房、按分组、按JSF别名、按调用方，各种维度随心组合查看
•自动埋点: 自动对 SpringMVC，JSF，MySQL，JMQ 等常用中间件进行性能埋点，无需改动代码，接入即可观测
•应用拓扑: 自动梳理服务的上下游和中间件的依赖拓扑
•调用链追踪: 基于请求的跨服务调用追踪，助你快速分析性能瓶颈
•自动故障分析: 通过AI算法自动分析调用拓扑上所有服务的监控数据，自动判断故障根因
•流量录制回放: 通过录制线上流量，回放至待特定环境（测试、预发），对比回放与录制时产生的差异，帮助用户补全业务场景、完善测试用例
•跨单元逃逸流量监控: 支持 JSF 跨单元流量、逃逸流量监控，单元化应用运行状态一目了然
2.3.APM类组件对比
| Zipkin | Pinpoint | SkyWalking | CAT | pfinder | |
|---|---|---|---|---|---|
| 贡献者 | 韩国公司 | 华为 | 美团 | 京东 | |
| 实现方式 | 拦截请求，发送 http/mq 数据到 zipkin 服务 | 字节码注入 | 字节码注入 | 代理埋点（拦截器、注解、过滤器） | 字节码注入 |
| 接入方式 | 基于 linkerd/sleuth，引入配置即可 | javaagent 字节码 | javaagent 字节码 | 代码侵入 | javaagent 字节码 |
| agent 到 collector 传输协议 | http、MQ | thrift | gRPC | http/tcp | JMTP |
| OpenTracing | 支持 | 支持 | 支持 | ||
| 粒度 | 接口级 | 方法级 | 方法级 | 代码级 | 方法级 |
| 全局调用统计 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | |
| traceid 查询 | 支持 | 支持 | 支持 | ||
| 告警 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 | |
| JVM 监控 | 支持 | 支持 | 支持 | 支持 |
更重要的一点是：pfinder对京东内部自研组件提供了支持，比如：jsf、jmq、jimdb
1.pfinder背后的秘密
既然pfinder是基于字节码增强实现的，那么讲到pfinder，字节码增强技术自然也是无法避开的话题。这里我将字节码增强技术分两点来说，也是我认为实现字节码增强需要解决的两个关键点：
1.字节码是为了机器设计的，而非人类，字节码可读性极差、修改门槛极高，那么我们如何修改字节码呢？
2.修改后的字节码如何注入运行时JVM中呢？
欲攻善其事，必先利其器，所以下面我们围绕着这两个问题进行展开，当然，对这方面知识已经有所掌握的同学可忽略。
3.1.字节码修改
字节码修改成熟的框架已经很多了，诸如：ASM、javassist、bytebuddy、bytekit，下面我们用这几个字节码修改框架实现一个相同的功能，来对比下这几个框架使用上的区别。现在我们通过字节码修改来实现下面的功能：
1.ASM实现
@Override
public void visitCode() {
super.visitCode();
mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
mv.visitLdcInsn("start");
mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
}
@Override
public void visitInsn(int opcode) {
if ((opcode >= Opcodes.IRETURN && opcode <= Opcodes.RETURN) || opcode == Opcodes.ATHROW) {
//方法在返回之前，打印"end"
mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;");
mv.visitLdcInsn("end");
mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V", false);
}
mv.visitInsn(opcode);
}1.javassist实现
ClassPool cp = ClassPool.getDefault();
CtClass cc = cp.get("com.ggc.javassist.HelloWord");
CtMethod m = cc.getDeclaredMethod("printHelloWord");
m.insertBefore("{ System.out.println("start"); }");
m.insertAfter("{ System.out.println("end"); }");
Class c = cc.toClass();
cc.writeFile("/Users/gonghanglin/workspace/workspace_me/bytecode_enhance/bytecode_enhance_javassist/target/classes/com/ggc/javassist");
HelloWord h = (HelloWord)c.newInstance();
h.printHelloWord();1.bytebuddy实现
// 使用ByteBuddy动态生成一个新的HelloWord类
Class<?> dynamicType = new ByteBuddy()
.subclass(HelloWord.class) // 指定要修改的类
.method(ElementMatchers.named("printHelloWord")) // 指定要拦截的方法名
.intercept(MethodDelegation.to(LoggingInterceptor.class)) // 指定拦截器
.make()
.load(HelloWord.class.getClassLoader()) // 加载生成的类
.getLoaded();
// 创建动态生成类的实例，并调用方法
HelloWord dynamicService = (HelloWord) dynamicType.newInstance();
dynamicService.printHelloWord();public class LoggingInterceptor {
@RuntimeType
public static Object intercept(@AllArguments Object[] allArguments, @Origin Method method, @SuperCall Callable<?> callable) throws Exception {
// 打印start
System.out.println("start");
try {
// 调用原方法
Object result = callable.call();
// 打印end
System.out.println("end");
return result;
} catch (Exception e) {
System.out.println("exception end");
throw e;
}
}
}1.bytekit实现
// Parse the defined Interceptor class and related annotations
DefaultInterceptorClassParser interceptorClassParser = new DefaultInterceptorClassParser();
List<InterceptorProcessor> processors = interceptorClassParser.parse(HelloWorldInterceptor.class);
// load bytecode
ClassNode classNode = AsmUtils.loadClass(HelloWord.class);
// Enhanced process of loaded bytecodes
for (MethodNode methodNode : classNode.methods) {
MethodProcessor methodProcessor = new MethodProcessor(classNode, methodNode);
for (InterceptorProcessor interceptor : processors) {
interceptor.process(methodProcessor);
}
}public class HelloWorldInterceptor {
@AtEnter(inline = true)
public static void atEnter() {
System.out.println("start");
}
@AtExit(inline = true)
public static void atEit() {
System.out.println("end");
}
}| 特性 | ASM | Javassist | ByteBuddy | ByteKit |
|---|---|---|---|---|
| 性能 | ASM的性能最高，因为它直接操作字节码，没有中间环节 | 劣于ASM | 介于javassist和ASM之间 | 介于javassist和ASM之间 |
| 易用性 | 需精通字节码，学习成本高，不支持debug | Java语法进行开发，但是采用的硬编码形式开发，不支持debug | 比Javassist更高级，更符文Java开发习惯，可以对增强代码进行断点调试 | 比Javassist更高级，更符文Java开发习惯，可以对增强代码进行断点调试 |
| 功能 | 直接操作字节码，功能最为强大。 | 功能相对完备 | 功能相对完备 | 功能相对完备，对比ByteBuddy，ByteKit能防止重复增强 |
3.2.字节码注入
相信大家经常使用idea去debug我们写的代码，我们是否想过debug是如何实现的呢？暂时先卖个关子。
1.JVMTIAgent
JVM在设计之初就考虑到了对JVM运行时内存、线程等指标的监控和分析和代码debug功能的实现，基于这两点，早在JDK5之前，JVM规范就定义了JVMPI（JVM分析接口)和JVMDI(JVM调试接口)，JDK5之后，这两个规范就合并成为了JVMTI（JVM工具接口）。JVMTI其实是一种JVM规范，每个JVM厂商都有不同的实现，另外，JVMTI接口需使用C语言开发，以动态链接的形式加载并运行。
| JVMTI接口 | |
|---|---|
| 接口 | 功能 |
| Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *options, void *reserved); | agent在启动时加载的情况下，也就是在vm参数里通过-agentlib来指定，那在启动过程中就会去执行这个agent里的Agent_OnLoad函数。 |
| Agent_OnAttach(JavaVM* vm, char* options, void* reserved); | agent是attach到目标进程上，然后给对应的目标进程发送load命令来加载agent，在加载过程中就会调用Agent_OnAttach函数。 |
| Agent_OnUnload(JavaVM *vm); | 在agent卸载的时候调用 |
其实idea的debug功能便是借助JVMTI实现的，具体说是利用了jre内置的jdwp agent来实现的。我们在idea中debug程序时，控制台命令如下：
这里agentlib参数就是用来跟要加载的agent的名字，比如这里的jdwp(不过这不是动态库的名字，而JVM是会做一些名称上的扩展，比如在MACOS下会去找libjdwp.dylib的动态库进行加载，也就是在名字的基础上加前缀lib,再加后缀.dylib)。
1.instrument
上面说到JVMTIAgent基于C语言开发，以动态链接的形式加载并运行，这对java开发者不太友好。在JDK5之后，JDK开始提供java.lang.instrument.Instrumentation接口，让开发者可以使用Java语言编写Agent。其实，instrument也是基于JVMTI实现的，在MACOS下instrument动态库名为libinstrument.dylib。
| instrument主要方法 | |
|---|---|
| 方法 | 功能 |
| void addTransformer(ClassFileTransformer transformer) | 添加一个字节码转换器，用来修改加载类的字节码 |
| Class[] getAllLoadedClasses() | 返回当前JVM中加载的所有的类的数组 |
| Class[] getInitiatedClasses(ClassLoader loader) | 返回指定的类加载器中的所有的类的数据 |
| void redefineClasses(ClassDefinition... definitions) | 用给定的类的字节码数组替换指定的类的字节码文件，也就是重新定义指定的类 |
| void retransformClasses(Class<?>... classes) | 指定一系列的Class对象，被指定的类都会重新变回去（去掉附加的字节码） |
1.instrument和ByteBuddy实现javaagent打印方法耗时
1.agent包MANIFEST.MF配置（maven插件）
<archive>
<manifestEntries>
// 指定premain()的所在方法
<Agent-CLass>com.ggc.agent.GhlAgent</Agent-CLass>
<Premain-Class>com.ggc.agent.GhlAgent</Premain-Class>
<Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
<Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
</manifestEntries>
</archive> 2.agen主类
public class GhlAgent {
public static Logger log = LoggerFactory.getLogger(GhlAgent.class);
public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
log.info("agentmain方法");
boot(instrumentation);
}
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
log.info("premain方法");
boot(instrumentation);
}
private static void boot(Instrumentation instrumentation) {
//创建一个代理增强对象
new AgentBuilder.Default().type(ElementMatchers.nameStartsWith("com.jd.aviation.performance.service.impl"))//拦截指定的类
.transform((builder, typeDescription, classLoader, javaModule) ->
builder.method(ElementMatchers.isMethod().and(ElementMatchers.isPublic())
).intercept(MethodDelegation.to(TimingInterceptor.class))
).installOn(instrumentation);
}
}3.拦截器
public class TimingInterceptor {
public static Logger log = LoggerFactory.getLogger(TimingInterceptor.class);
@RuntimeType
public static Object intercept(@SuperCall Callable<?> callable) throws Exception {
long start = System.currentTimeMillis();
try {
// 原方法调用
return callable.call();
} finally {
long end = System.currentTimeMillis();
log.info("Method call took {} ms",(end - start));
}
}
}4.效果
1.pfinder实现原理
4.1.pfinder应用架构
1.pfinder agent启动时首先加载META-INF/pfinder/service.addon和META-INF/pfinder/plugin.addon配置文件中的服务和插件。2.根据加载的插件做字节码增强。3.使用JMTP将服务和插件产生的数据（trace、指标等）进行上报。
4.2.pfinder插件增强代码解析
1.service加载
创建SimplePFinderServiceLoader实例，在profilerBootstrap.boot(serviceLoaders)方法中加载配置文件中的service。
使用创建的SimplePFinderServiceLoader实例加载service，并返回一个service工厂的迭代器。
真正的加载走的是AddonLoader中的load方法。service加载完成后，继续看bootService方法：
bootService中完成创建service实例、注册service、初始化service，service的加载至此就完成了。
1.plugin加载&字节码增强
在介绍插件加载前，我们先了解下插件的包含了哪些信息。
增强拦截器：这个类里面放了具体的增强逻辑
增强点类型：增强时根据不同类型走不同逻辑
增强类/方法匹配器：用于匹配需要增强的类/方法
InterceptPoint是个数组，增强点可以配置多个。
plugin的加载和字节码增强发生在初始化service过程中，具体地说发生在com.jd.pfinder.profiler.service.impl.PluginRegistrar这个service初始化的过程中了。
protected boolean doInitialize(ProfilerContext profilerContext) {
AgentEnvService agentEnvService = (AgentEnvService)profilerContext.getService(AgentEnvService.class);
Instrumentation instrumentation = agentEnvService.instrumentation();
if (instrumentation == null) {
LOGGER.info("Instrumentation missing, PFinder PluginRegistrar enhance ignored!");
return false;
}
this.pluginLoaders = profilerContext.getAllService(PluginLoader.class);
this.enhanceHandler = new EnhancePluginHandler(profilerContext);
ElementMatcher.Junction<TypeDescription> typeMatcherChain = null;
for (PluginLoader pluginLoader : this.pluginLoaders) {
pluginLoader.loadPlugins(profilerContext);
for (ElementMatcher.Junction<TypeDescription> typeMatcher : (Iterable<ElementMatcher.Junction<TypeDescription>>)pluginLoader.typeMatchers()) {
if (typeMatcherChain == null) {
typeMatcherChain = typeMatcher; continue;
}
typeMatcherChain = typeMatcherChain.or((ElementMatcher)typeMatcher);
}
}
if (typeMatcherChain == null) {
LOGGER.warn("no any enhance-point. pfinder enhance will be ignore.");
return false;
}
ConfigurationService configurationService = (ConfigurationService)profilerContext.getService(ConfigurationService.class);
String enhanceExcludePolicy = (String)configurationService.get(ConfigKey.PLUGIN_ENHANCE_EXCLUDE);
LoadedClassSummaryHandler loadedClassSummaryHandler = null;
if (((Boolean)configurationService.get(ConfigKey.LOADED_CLASSES_SUMMARY_ENABLED, Boolean.valueOf(false))).booleanValue()) {
loadedClassSummaryHandler = new LoadedClassSummaryHandler.DefaultImpl(configurationService, ((ScheduledService)profilerContext.getService(ScheduledService.class)).getDefault());
}
(new AgentBuilder.Default())
.with(AgentBuilder.RedefinitionStrategy.RETRANSFORMATION)
.with(AgentBuilder.RedefinitionStrategy.REDEFINITION)
.with(new AgentBuilder.RedefinitionStrategy.Listener()
{
public void onBatch(int index, List<Class<?>> batch, List<Class<?>> types) {}
public Iterable<? extends List<Class<?>>> onError(int index, List<Class<?>> batch, Throwable throwable, List<Class<?>> types) {
return Collections.emptyList();
}
public void onComplete(int amount, List<Class<?>> types, Map<List<Class<?>>, Throwable> failures) {
for (Map.Entry<List<Class<?>>, Throwable> entry : failures.entrySet()) {
for (Class<?> aClass : entry.getKey()) {
PluginRegistrar.LOGGER.warn("Redefine class: {} failure! ignored!", new Object[] { aClass.getName(), entry.getValue() });
}
}
}
}).ignore((ElementMatcher)ElementMatchers.nameStartsWith("org.groovy.")
.or((ElementMatcher)ElementMatchers.nameStartsWith("jdk.nashorn."))
.or((ElementMatcher)ElementMatchers.nameStartsWith("javax.script."))
.or((ElementMatcher)ElementMatchers.nameContains("javassist"))
.or((ElementMatcher)ElementMatchers.nameContains(".asm."))
.or((ElementMatcher)ElementMatchers.nameContains("$EnhancerBySpringCGLIB$"))
.or((ElementMatcher)ElementMatchers.nameStartsWith("sun.reflect"))
.or((ElementMatcher)ElementMatchers.nameStartsWith("org.apache.jasper"))
.or((ElementMatcher)pfinderIgnoreMather())
.or((ElementMatcher)Matchers.forPatternLine(enhanceExcludePolicy))
.or((ElementMatcher)ElementMatchers.isSynthetic()))
.type((ElementMatcher)typeMatcherChain)
.transform(this)
.with(new Listener(loadedClassSummaryHandler))
.installOn(instrumentation);
return true;
}第8行，先从上下文中取出注册的PluginLoader（插件加载器），第12行遍历插件加载器加载插件，插件加载逻辑其实和service一样，使用的都是AddonLoader中的load方法。插件加载完成之后被插件加载器持有，第14-19行则收集插件中增强类的匹配器，用于AgentBuilder的创建。AgentBuilder的创建标志着字节码增强的开始，具体的逻辑在transform的实例方法中。
transform方法中遍历插件，enhance方法中对各个插件做增强。
enhance方法中遍历各个插件的增强点数组走enhanceInterceptPoint方法做增强。
enhanceInterceptPoint方法中根据增强点类型做增强。
上图是以Advice方式增强实例方法，传递了interceptorFieldAppender和methodCacheFieldAppender两个参数，并使用AdviceMethodEnhanceInvoker访问并修改待增强的类和方法。AdviceMethodEnhanceInvoker中有onMethodEnter、onMethodExit两个方法，分别表示进入方法后和退出方法前。
AdviceMethodEnhanceInvoker中onMethodEnter、onMethodExit两个方法还会调用插件中配置interceptor对应的onMethodEnter、onMethodExit、onException方法，至此插件字节码增强就结束了。
1.我的思考
5.1.多线程traceId丢失问题
pfinder目前已经将traceId放到了MDC中，我们通过在日志配置文件中添加[%X{PFTID}]便能在日志中打印traceId。但是我们知道MDC使用的是ThreadLocal去保存的traceId，在跨线程时会出现线程丢失的情况。pfinder在这方面做了字节码增强，无论使用线程池还是@Async，都不会存在traceId丢失的问题。
public class TracingRunnable
implements PfinderWrappedRunnable
{
private final Runnable origin;
private final TracingSnapshot<?> snapshot;
private final Component component;
private final String operationName;
private final String interceptorName;
private final InterceptorClassLoader interceptorClassLoader;
public TracingRunnable(Runnable origin, TracingSnapshot<?> snapshot, Component component, String operationName, String interceptorName, InterceptorClassLoader interceptorClassLoader) {
this.origin = origin;
this.snapshot = snapshot;
this.component = component;
this.operationName = operationName;
this.interceptorClassLoader = interceptorClassLoader;
this.interceptorName = interceptorName;
}
public void run() {
TracingContext tracingContext = ContextManager.tracingContext();
if (tracingContext.isTracing() && tracingContext.traceId().equals(this.snapshot.getTraceId())) {
this.origin.run();
return;
}
LowLevelAroundTracingContext context = SpringAsyncTracingContext.create(this.operationName, this.interceptorName, this.snapshot, this.interceptorClassLoader, this.component);
context.onMethodEnter();
try {
this.origin.run();
} catch (RuntimeException ex) {
context.onException(ex);
throw ex;
} finally {
context.onMethodExit();
}
}
public Runnable getOrigin() {
return this.origin;
}
public String toString() {
return "TracingRunnable{origin=" + this.origin + ", snapshot=" + this.snapshot + ", component=" + this.component + ", operationName='" + this.operationName + ''' + '}';
}
}拿线程池执行Runnable任务来说，pfinder通过TracingRunnable包装我们的Runnable的实现，利用构造函数将主线程的traceId通过snapshot参数传给TracingRunnable，在run方法中将参数snapshot放到上下文中，最后从上下文中取出放到子线程的MDC中，从而实现traceId跨线程传递。
5.2.热部署
既然javaagent能做字节码增强，也能实现热部署，此外， pfinder客户端和服务端通过jmtp有命令的交互，可以通过服务端向agent发送命令来实现类搜索、反编译、热更新等功能，笔者基于这一想法粗略实现了一个在线热部署的功能，具体如下：
类搜索：
反编译：
热更新：
上述只是笔者做的一个简单的实现，还有很多不足的地方：
1.对于Spring XML、MyBatis XML的支持。
2.Instrumentation的局限性：由于jvm基于安全考虑，不允许改类结构，比如新增字段，新增方法和修改类的父类等。想要突破这种局限，就需要使用Dcevm（Java Hostspot的补丁）了。
欢迎有兴趣的同学一起学习交流。
