反向 Debug 了解一下?揭秘 Java DEBUG 的基本原理

2024年 1月 3日 47.9k 0

Debug 的时候,都遇到过手速太快,直接跳过了自己想调试的方法、代码的时候吧……

一旦跳过,可能就得重新执行一遍,准备数据、重新启动可能几分钟就过去了。

好在IDE 们都很强大,还给你后悔的机会,可以直接删除某个 Stack Frame,直接返回到之前的状态,确切的说是返回到之前的某个 Stack Frame,从而实现让程序“逆向运行”。

这个 Reset Frame 的能力,可不只是返回上一步,上 N 步也是可以的;选中你期望的那个帧,直接Reset Frame/Drop Frame,可以直接回到调用栈上的某个栈帧,时间反转!

可惜这玩意也不是那么万能,毕竟是通过 stack pop 这种操作实现,实际上只是给调用栈栈顶的 N 个 frame pop 出来而已,还谈不上是真正的“反向 DEBUG”。

相比之下, GDB 的 Reverse Debugging 就比较强大,真正的 “反向” DEBUG,逆向运行,实现回放。

所以吧在运行过程中,已经修改的数据,比如引用传递的方法参数、变量,一旦修改肯定回退不了,不然真的成时光机了。

这些乱七八糟的调试功能,都是基于 Java 内置的 Debug 体系来实现的。

JAVA DEBUG 体系

Java 提供了一个完整的 Debug 体系 JPDA (Java Platform Debugger Architecture),这个 JPDA 架构体系由 3 部分组成:

  • JVM TI - Java VM Tool Interface
  • JDWP - Java Debug Wire Protocol
  • JDI - Java Debug Interface
  • 如果结合IDE 来看,那么一个完整的 Debug 功能看起来就是这个样子:

    解释一下这个体系:

    JVM TI 是一个 JVM 提供的一个调试接口,提供了一系列控制 JVM 行为的功能,比如分析、调试、监控、线程分析等等。也就是说,这个接口定义了一系列调试分析功能,而 JVM 实现了这个接口,从而提供调试能力。

    不过吧,这个接口毕竟是 C++的,调用起来确实不方便,所以Java 还提供了 JDI 这么个 Java 接口。

    JDI 接口使用 JDWP 这个私有的应用层协议,通过 TCP 和目标 VM 的 JVMTI 接口进行交互。

    也可以把简单这个 JDWP 协议理解为 JSF/Dubbo 协议;相当于 IDE 里通过 JDI 这个 SDK,使用 JDWP 协议调用远程 JVMTI 的 RPC 接口,来传输调试时的各种断点、查看操作。

    可能有人会问,搞什么套壳!要什么 JDWP,我直接 JVMTI 调试不是更香,链路越短性能越高!

    当然可以,比如 Arthas 里的部分功能,就直接使用了 JVMTI 接口,要什么 JDI!直接 JVMTI 干就完了。

    开个玩笑,Arthas 毕竟不是 Debug 工具,人家根本就不用 JDI 接口。而且 JVMTI 的能力也不只是断点,它的功能非常多:

    左边的功能类,提供了各种乱七八糟的功能,比如我们常用的添加一个断点:

    jvmtiError
    SetBreakpoint(jvmtiEnv* env,
                jmethodID method,
                jlocation location)

    右边的事件类,可以简单的理解为回调;还是拿断点举例,如果我用上面的 SetBreakpoint 添加了一个断点,那么当执行到该位置时,就会触发这个事件:

    void JNICALL
    Breakpoint(jvmtiEnv *jvmti_env,
                JNIEnv* jni_env,
                jthread thread,
                jmethodID method,
                jlocation location)

    JVMTI 的功能非常之多,而 JDI 只是实现了部分 JVMTI 的方法,所以某些专业的 Profiler 工具,可能会直接使用 JVMTI,从而实现更丰富的诊断分析功能。

    远程调试与本地调试

    不知道大家有没有留意过本地 Debug 启动时的日志:

    第一行是隐藏了后半段的启动命令,展开后是这个样子:

    /path/to/java -agentlib:jdwp=transport=dt_socket,address=127.0.0.1:53631,suspend=y,server=n -javaagent:/path/to/jetbrains/debugger-agent.jar ...

    第二行是一个 Connected 日志,意思是使用 socket 连接到远程 VM 的53631端口

    上一段说到,IDE 通过 JDI 接口,使用 JDWP 协议和目标 VM 的 JVMTI 交互。这里的 53631 端口,就是目标 JVM 暴露出的 JVM TI 的 server 端口。

    而第一行里,IDEA 自动给我们加上了 -agentlib:jdwp=transport=dt_socket,address=127.0.0.1:53631 这么一段,这个参数的意思就是,让 jvm 以 53631 暴露 jdwp 协议

    小知识,这个 agentlib 可不只是为 jvmti 提供的。它还可以让 JVM 加载其他的 native lib包,直接“”到你的 jvm 上,下面是参数格式:

    所以吧,上面的描述其实不太严谨,更专业的说法是:

    让 JVM 加载 JDWP 这个 agent 库,参数为transport=dt_socket,address=127.0.0.1:53631 ,这个 jdwp agent 库以 53631 端口提供了 jdwp 协议的 server。只不过这个 jdwp 是jvm 内部的库,不需要额外的 so/dylib/dll 文件。

    如有需要,你完全可以弄个 “datupiao” 的 agentlib,”到这个 jvm 上,然后在这个 lib 里调用 JVMTI 接口,然后暴露个端口提供服务和远程交互,实现自己的 jdwp!

    可能某些老板们注意到了,本地调试还要127.0.0.1走tcp 交互一遍,那远程调试呢?

    基于上面的解释,本地调试和远程调试真的没啥区别!或者说,在目前 IDEA/Eclipse 的实现下,不存在本地调试,都是远程!只不过一个是 127.0.0.1,一个是远程的 IP 而已。

    在本地调试时,IDEA 会自动给我们的 JVM 增加 agent 参数,随机指定一个端口,然后通过 JDI 接口连接,代码大概长这样(JDI 的 SDK 在 JDK_HOME/lib/tools.jar ):

    Map env = connector.defaultArguments();
    env.get("hostname").setValue(hostname);
    env.get("port").setValue(port);
    
    VirtualMachine vm = connector.attach(env);

    瞅瞅, VirtualMachine 里的就这点方法,能力上比 JVMTI 还是差远了

    List classesByName(String className);

    List allClasses();

    void redefineClasses(Map

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