jacoco插桩源码，看这一篇就够了

2023-11-11 15:04
文章标签 源码 一篇 就够 jacoco 插桩

本文主要是介绍jacoco插桩源码，看这一篇就够了，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

知识储备

众所周知，jacoco的功能主要分成两块：

  • jacoco agent
  • jacoco cli

其中jacoco agent主要用来对业务方服务进行插装，而cli则提供一些工具对插桩数据进行处理，比如dump，merge,report等，今天我们着重通过源码来分析jacoco的插桩过程，在分析其插桩逻辑前，我们需要一定的知识储备，主要包括但不限于

ASM,Java Instrumentation等

Java ASM是一个Java字节码操控和分析框架。它能够用于动态生成代码，动态修改已有代码，执行静态代码分析等操作。ASM提供了一些基础的字节码转换和处理工具，开发人员可以在此基础上进行扩展，构建出复杂的编程工具和技术。

ASM 可以直接产生二进制 class 文件，也可以在类被加载入 Java 虚拟机之前动态改变类行为。Java class 从使用者的角度来看是数据（它们以 .class 文件的形式存在于磁盘上），但是从生产者或者消费者（比如类加载器）的角度来看，它就是一种产品。ASM 提供了一些类，以使 Java class 从类文件转移到内存中的过程中，可以“加工”这个产品。

Java ASM 的优点在于它功能强大并且高效，但是由于直接面对的是字节码，所以使用起来也比较复杂

简而言之，ASM就是一个对java字节码进行操作的工具，其核心功能主要采用访问者模式，对类、方法、属性、指令等进行遍历，然后访问或者修改。

Instrumentation是基于JVMTI技术，JVMTI代表Java Virtual Machine Tools Interface，是Java虚拟机提供的一组原生接口，供开发者构建各种工具和实用程序，如监控工具、调试器、分析器等。

JVMTI具有强大的能力，包括但不限于：

  1. 检查和修改类和对象的状态。
  2. 监视线程的创建和销毁。
  3. 监视类的加载和卸载。
  4. 监视虚拟机的垃圾回收。
  5. 设置断点和监听各种事件。
  6. 获取方法调用的栈轨迹。

JVMTI是Java虚拟机的一部分，因此可以在Java程序执行的任何阶段进行操作，包括启动阶段、运行阶段和退出阶段。

尽管JVMTI具有强大的功能，但由于它是一种底层接口，所以使用起来可能比较复杂，需要深入理解虚拟机和字节码的工作原理。而且，错误的使用可能会导致程序崩溃或其他未预期的行为。因此，建议只在开发调试和监控工具等专业领域使用JVMTI。

Java Instrumentation API是Java SE 5.0引入的一种强大的工具，可以用来修改已加载到JVM中的类的字节码。这个API允许Java开发人员在运行时查看和修改类和对象的状态。

Java Instrumentation API常用于一些高级的开发任务，比如性能监控、分析和优化、代码覆盖率分析、故障排查等等。例如，开发人员可以使用Java Instrumentation来监视程序的内存使用情况，或者插入额外的代码来追踪和记录方法的调用情况。

要使用Java Instrumentation，你需要创建一个特殊的"agent"类，并且在JVM启动时通过特定的命令行参数将其加载到JVM中。这个agent类需要实现特定的接口，并且可以定义一些premain或者agentmain方法来进行初始化工作。

虽然Java Instrumentation是一个强大的工具，但是也需要谨慎使用。修改运行时的类可能会引入一些不可预见的行为，甚至可能导致程序崩溃。因此，最好只在明确知道自己在做什么的情况下使用它。

没错，jacoco的agent能附着在业务服务上运行，其使用的就是Instrumentation，那么，我们首先来了解一下Instrumentation的使用方法

  • 首先，你需要创建一个Agent类，它应该包含一个名为premain的静态方法。JVM会在启动时调用这个方法，并通过该方法的参数提供一个Instrumentation对象：
public class MyAgent {public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {inst.addTransformer(new ClassFileTransformer() {@Overridepublic byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {// 使用ASM等字节码操作工具对classfileBuffer进行修改，// 例如插入在方法调用前后打印消息的代码。// 假设你已经有一个modifyByteCode方法来做这个工作：return modifyByteCode(classfileBuffer);}});}
}
  • 然后，你需要在JVM启动时指定你的Agent类。这可以通过-javaagent命令行参数实现：
java -javaagent:myagent.jar MyApplication

其中，myagent.jar是包含你的Agent类的JAR文件，MyApplication是你的应用程序的主类。请注意，你的JAR文件需要包含一个名为MANIFEST.MF的清单文件，其中应该包含一个Premain-Class属性来指定你的Agent类：

Premain-Class: MyAgent

在以上的示例中ClassFileTransformer是一个接口，实现这个接口，然后注册到Instrumentation上去，当类被加载到内存中的时候就会触发其transform方法，我们就可以在这个阶段对字节码进行修改，从而达到我们的目的。是不是就像观察者模式。

jacoco agent 源码分析

在这里插入图片描述

jacoco整个插桩过程如上图所示，PreMain注册了CoverageTransformer，当类加载到jvm的时候就会触达调用instrumenter方法，然后Instrumenter方法调用了类Instrumenter的instrument方法， 类Instrumenter的instrument方法调用了类ProbeArrayStrategyFactory的createFor方法，然后根据不同的jdk版本生成不同的策略，然后类Instrumenter的instrument方法调用了类ClassProbesAdapter的visitMethod方法， 接着类ClassProbesAdapter的visitMethod方法调用了类MethodInstrumenter的visitMethod方法， 类MethodInstrumenter的visitMethod方法调用了类ProbeInserter的insertProbe方法 类ProbeInserter的insertProbe方法调用了类ClassFieldProbeArrayStrategy的storeInstance方法 ClassProbesAdapte调用了ClassFieldProbeArrayStrategy的addMembers方法 完成了整个类的插桩。
看了上面的图是不是感觉有点绕，没关系我们根据源码逐步来分析。首先，我们指定了preMain的入口
在这里插入图片描述

	public static void premain(final String options, final Instrumentation inst)throws Exception {//解析参数final AgentOptions agentOptions = new AgentOptions(options);//创建Agent实例final Agent agent = Agent.getInstance(agentOptions);//创建Runtime实例final IRuntime runtime = createRuntime(inst);//启动Runtimeruntime.startup(agent.getData());//这里把自定义的CoverageTransformer加入到了inst的transformer列表中，即注册，当类加载的时候会回调CoverageTransformer里的instrument方法inst.addTransformer(new CoverageTransformer(runtime, agentOptions,IExceptionLogger.SYSTEM_ERR));}

CoverageTransformer实现了ClassFileTransformer接口，当类加载的时候会回调CoverageTransformer里的instrument方法

	public byte[] transform(final ClassLoader loader, final String classname,final Class<?> classBeingRedefined,final ProtectionDomain protectionDomain,final byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {// We do not support class retransformation:if (classBeingRedefined != null) {return null;}//过滤掉不需要插桩的类if (!filter(loader, classname, protectionDomain)) {return null;}try {//读取class类文件classFileDumper.dump(classname, classfileBuffer);//对class类文件进行字节码插桩,然后返回插桩后的字节码return instrumenter.instrument(classfileBuffer, classname);} catch (final Exception ex) {final IllegalClassFormatException wrapper = new IllegalClassFormatException(ex.getMessage());wrapper.initCause(ex);// Report this, as the exception is ignored by the JVM:logger.logExeption(wrapper);throw wrapper;}}

接着我们看Instrumenter类的instrument方法

	private byte[] instrument(final byte[] source) {final long classId = CRC64.classId(source);//创建ClassReaderfinal ClassReader reader = InstrSupport.classReaderFor(source);//创建ClassWriterfinal ClassWriter writer = new ClassWriter(reader, 0) {@Overrideprotected String getCommonSuperClass(final String type1,final String type2) {throw new IllegalStateException();}};//主要根据不同jdk版本生成不同的策略final IProbeArrayStrategy strategy = ProbeArrayStrategyFactory.createFor(classId, reader, accessorGenerator);final int version = InstrSupport.getMajorVersion(reader);final ClassVisitor visitor = new ClassProbesAdapter(new ClassInstrumenter(strategy, writer),InstrSupport.needsFrames(version));//遍历类文件进行插桩reader.accept(visitor, ClassReader.EXPAND_FRAMES);return writer.toByteArray();}

整体过程就是对class字节码进行读取，然后遍历修改，最后再写回，ProbeArrayStrategyFactory是一个探针数组策略工厂，根据不同的jdk版本生成不同的策略，正常情况下我们使用的都是ClassFieldProbeArrayStrategy策略
根据上面的代码，生成探针数组策略后，会创建一个ClassProbesAdapter，这个类是一个适配器，它主要适配了ClassInstrumenter类和ClassAnalyzer类（用来报告生成）,适配器主要做了两件事，一个是遍历类的每个方法，一个是在方法结束时统计探针数量
这里需要注意，假设我们的原始类是这样

public class Example {private final String message;public Example(String message) {this.message = message;}public String getMessage() {return message;}
}

那么经过插桩后的类是这样的

public class Example {private final String message;private static transient final boolean[] $jacocoData;public Example(String message) {boolean[] arr = $jacocoInit();super();arr[0] = true;this.message = message;arr[1] = true;}public String getMessage() {$jacocoData[2] = true;return message;}private static boolean[] $jacocoInit() {boolean[] arr = new boolean[3];$jacocoData = arr;return arr;}
}

插桩有几个部分，首先是添加了属性字段 j a c o c o D a t a ，然后添加了初始化探针方法 jacocoData，然后添加了初始化探针方法 jacocoData，然后添加了初始化探针方法jacocoInit()，最后是对每个方法进行插桩，那个每个方法需要插多少个桩呢
jacoco agent的操作是，先对每个方法进行插桩，同时统计探针的数量，然后最后再类访问结束的时候，插入了属性和探针初始化方法
所有我们主要看ClassProbesAdapter类的visitMethod方法调用了

		final MethodProbesVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc,signature, exceptions);

和类访问结束时调用了

	public void visitEnd() {cv.visitTotalProbeCount(counter);super.visitEnd();}

我们知道这里的cv在插桩阶段其实就是我们的ClassInstrumenter类
那么，我们再来看看ClassInstrumenter类的visitMethod方法和visitTotalProbeCount方法

public MethodProbesVisitor visitMethod(final int access, final String name,final String desc, final String signature,final String[] exceptions) {InstrSupport.assertNotInstrumented(name, className);final MethodVisitor mv = cv.visitMethod(access, name, desc, signature,exceptions);if (mv == null) {return null;}final MethodVisitor frameEliminator = new DuplicateFrameEliminator(mv);final ProbeInserter probeVariableInserter = new ProbeInserter(access,name, desc, frameEliminator, probeArrayStrategy);return new MethodInstrumenter(probeVariableInserter,probeVariableInserter);}

这里主要是创建了一个MethodInstrumenter，其包含了一个ProbeInserter探针插入器，而visitTotalProbeCount方法则是对属性和初始化方法的插入

   	public void visitTotalProbeCount(final int count) {probeArrayStrategy.addMembers(cv, count);}

看到这里，我们都还没有对探针进行操作，但是我们知道了两个核心类，一个是probeArrayStrategy，一个是ProbeInserter，ProbeInserter是针对每个方法进行探针插入的核心类，probeArrayStrategy是对类属性和初始化方法进行插入的核心类
MethodInstrumenter的方法调用入口同样是在ClassProbesAdapter类的visitMethod方法中

	final MethodProbesAdapter probesAdapter = new MethodProbesAdapter(methodProbes, ClassProbesAdapter.this);if (trackFrames) {final AnalyzerAdapter analyzer = new AnalyzerAdapter(ClassProbesAdapter.this.name, access, name, desc,probesAdapter);probesAdapter.setAnalyzer(analyzer);methodProbes.accept(this, analyzer);} else {// 这里调用的就是mv的钩子方法methodProbes.accept(this, probesAdapter);}

这里调用了我们从ClassInstrumenter返回的MethodProbesAdapter，MethodProbesAdapter同样是一个适配器，其插桩过程中的核心适配是MethodInstrumenter类
MethodProbesAdapter类的遍历中有个核心方法

	/*** 访问标签，Label是字节码中的位置指示，它可以作为跳转指令的目标位置，也可以用于标记异常处理区块的开始和结束等。** @param label 标签*/@Overridepublic void visitLabel(final Label label) {if (LabelInfo.needsProbe(label)) {if (tryCatchProbeLabels.containsKey(label)) {probesVisitor.visitLabel(tryCatchProbeLabels.get(label));}probesVisitor.visitProbe(idGenerator.nextId());}probesVisitor.visitLabel(label);}@Overridepublic void visitJumpInsn(final int opcode, final Label label) {if (LabelInfo.isMultiTarget(label)) {probesVisitor.visitJumpInsnWithProbe(opcode, label,idGenerator.nextId(), frame(jumpPopCount(opcode)));} else {probesVisitor.visitJumpInsn(opcode, label);}}@Overridepublic void visitJumpInsn(final int opcode, final Label label) {if (LabelInfo.isMultiTarget(label)) {probesVisitor.visitJumpInsnWithProbe(opcode, label,idGenerator.nextId(), frame(jumpPopCount(opcode)));} else {probesVisitor.visitJumpInsn(opcode, label);}}

这里三个方法分别会调用MethodInstrumenter类的下面几个方法

	/*** 无条件插入探针** @param probeId 调查id*/@Overridepublic void visitProbe(final int probeId) {probeInserter.insertProbe(probeId);}/*** 在返回指令前插入探针** @param opcode  操作码* @param probeId 调查id*/@Overridepublic void visitInsnWithProbe(final int opcode, final int probeId) {probeInserter.insertProbe(probeId);mv.visitInsn(opcode);}/*** 在跳转指令（比如if语句）前插入探针** @param opcode  操作码* @param label   标签* @param probeId 调查id* @param frame   框架*/@Overridepublic void visitJumpInsnWithProbe(final int opcode, final Label label,final int probeId, final IFrame frame) {if (opcode == Opcodes.GOTO) {probeInserter.insertProbe(probeId);mv.visitJumpInsn(Opcodes.GOTO, label);} else {final Label intermediate = new Label();mv.visitJumpInsn(getInverted(opcode), intermediate);probeInserter.insertProbe(probeId);mv.visitJumpInsn(Opcodes.GOTO, label);mv.visitLabel(intermediate);frame.accept(mv);}}

概括一句就是会对方法起始行、语句跳转（if/switch）、语句返回前插入探针
具体的插桩是ProbeInserter类的insertProbe方法

public void insertProbe(final int id) {// For a probe we set the corresponding position in the boolean[] array// to true.mv.visitVarInsn(Opcodes.ALOAD, variable);// Stack[0]: [ZInstrSupport.push(mv, id);// Stack[1]: I// Stack[0]: [Zmv.visitInsn(Opcodes.ICONST_1);// Stack[2]: I// Stack[1]: I// Stack[0]: [Zmv.visitInsn(Opcodes.BASTORE);}
}

获取你看不懂，我这边给个简单的例子

插桩前代码public void simpleMethod() {// 这是我们要插入探针的地方System.out.println("Hello World");
}
插桩前指令
0: getstatic     #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc           #3 // String Hello World
5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return插桩后指令
0: aload_0               // 加载探针数组到操作数栈
1: iconst_0              // 将探针id（此处为0）压入操作数栈
2: iconst_1              // 将数值1压入操作数栈
3: bastore               // 将栈顶的数值1存储到探针数组的第0个位置
4: getstatic     #2      // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: ldc           #3      // String Hello World
9: invokevirtual #4      // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
12: return插桩后反编译
boolean[] probes = new boolean[1];  // 假设只有一个探针
public void simpleMethod() {probes[0] = true;  // 插入的探针System.out.println("Hello World");
}

我们还要关注ProbeInserter类的visitCode方法

	@Overridepublic void visitCode() {accessorStackSize = arrayStrategy.storeInstance(mv, clinit, variable);mv.visitCode();}

它在方法开始前就会调用ClassFieldProbeArrayStrategy类的storeInstance方法

  public int storeInstance(final MethodVisitor mv, final boolean clinit,final int variable) {mv.visitMethodInsn(Opcodes.INVOKESTATIC, className,InstrSupport.INITMETHOD_NAME, InstrSupport.INITMETHOD_DESC,false);mv.visitVarInsn(Opcodes.ASTORE, variable);return 1;}

其实它就干了一件事，在方法开始行调用 $jacocoInit()方法，所以刚刚的示例插桩后应该是这样的

boolean[] probes = new boolean[1];  // 假设只有一个探针
public void simpleMethod() {$jacocoInit(); // 插入的探针初始化方法probes[0] = true;  // 插入的探针System.out.println("Hello World");
}

$jacocoInit()是在访问方法开始就插入的，probes[0] = true是在方法访问过程中插入的，这样就保证了探针数组的初始化和探针的插入顺序
ClassProbesAdapter类有个计数器，方法每插入一个探针，就会+1，汇总探针总数

public int nextId() {
return counter++;
}

可以看到MethodInstrumenter的visitLabel方法这里调用了之前的nextId方法

probesVisitor.visitProbe(idGenerator.nextId());

到这里我们已经了解完了jacoco对方法的插桩，下面我们再来分析，
ClassInstrumenter的visitTotalProbeCount方法调用了ClassFieldProbeArrayStrategy的addMembers方法

    public void addMembers(final ClassVisitor cv, final int probeCount) {createDataField(cv);createInitMethod(cv, probeCount);}private void createDataField(final ClassVisitor cv) {cv.visitField(InstrSupport.DATAFIELD_ACC, InstrSupport.DATAFIELD_NAME,InstrSupport.DATAFIELD_DESC, null, null);}private void createInitMethod(final ClassVisitor cv, final int probeCount) {final MethodVisitor mv = cv.visitMethod(InstrSupport.INITMETHOD_ACC,InstrSupport.INITMETHOD_NAME, InstrSupport.INITMETHOD_DESC,null, null);mv.visitCode();// Load the value of the static data field:mv.visitFieldInsn(Opcodes.GETSTATIC, className,InstrSupport.DATAFIELD_NAME, InstrSupport.DATAFIELD_DESC);mv.visitInsn(Opcodes.DUP);// Stack[1]: [Z// Stack[0]: [Z// Skip initialization when we already have a data array:final Label alreadyInitialized = new Label();mv.visitJumpInsn(Opcodes.IFNONNULL, alreadyInitialized);// Stack[0]: [Zmv.visitInsn(Opcodes.POP);final int size = genInitializeDataField(mv, probeCount);// Stack[0]: [Z// Return the class' probe array:if (withFrames) {mv.visitFrame(Opcodes.F_NEW, 0, FRAME_LOCALS_EMPTY, 1,FRAME_STACK_ARRZ);}mv.visitLabel(alreadyInitialized);mv.visitInsn(Opcodes.ARETURN);mv.visitMaxs(Math.max(size, 2), 0); // Maximum local stack size is 2mv.visitEnd();}

这里就是对类添加 j a c o c o D a t a 和初始化探针方法 jacocoData和初始化探针方法 jacocoData和初始化探针方法jacocoInit()的地方，至此，这个类的插桩过程就结束了，整体来说ClassProbesAdapte是一个非常核心的如果类，作为一个适配器，它不仅是整个插桩逻辑的入口，它同样是生成报告的入口，生成报告的时候，我们传递ClassAnalyzer类，然后再适配MethodAnalyzer类，在弹出插入的位置还原exec探针数据，从而拿到指令覆盖率，方法覆盖率，行覆盖率等数据，最后生成报告
了解jacoco的源码后我们就可以对插桩逻辑进行干预，比我我们不止想只存储探针数据，还想存储额外信息，就可以改变插桩的逻辑实现丰富化的结构等等功能。

这篇关于jacoco插桩源码，看这一篇就够了的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/390904。

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