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版本:1.7.1

字节码篇

本篇介绍 chaosblade-exec-jvm 如何篡改java应用的字节码来实现故障能力的注入。

JavaAgent

使用 JavaAgent 技术可以在 jvm 启动或者运行时动态的修改字节码。

  • 启动时:java -jar app.jar -javaagent:/temp/instrument-1.0.0.jar

  • 运行时(Attach):VirtualMachine 加载

下面介绍一个 JavaAgent 运行时修改字节码的例子,/temp/NumberAdd.jar NumberAddmain方法循环生成两个随机数调用add方法做加法操作,使用 JavaAgent 将变量 a 改成 100。

public static void main(String[] args) throws Exception {
while (true) {
Random random = new Random();
int a = random.nextInt(10);
int b = random.nextInt(10);
int add = new NumberAdd().add(a, b);
System.out.println("a(" + a + ")\t+\tb(" + b + ")\t=" + add);
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
}
}

public int add(int a, int b) {
return a + b;
}

ClassFileTransformer

java.lang.instrument.ClassFileTransformer实现该接口,继承 tranform 方法,这里使用javassistct修改字节码,ctMethod.insertBefore("a = 100;");在原方法执行前将变量 a 修改成 100,也可以使用ASM等其他第三方 Lib。

public class NumberAddTransform implements ClassFileTransformer {

@Override
public byte[] transform(ClassLoader loader,
String className,
Class<?> classBeingRedefined,
ProtectionDomain protectionDomain,
byte[] classfileBuffer) {

ClassPool classPool = ClassPool.getDefault();
try {
if ("com.xx.NumberAdd".replace(".", "/").equals(className)) {
CtClass ctClass = classPool
.makeClass(new ByteArrayInputStream(classfileBuffer));
CtMethod ctMethod = ctClass.getDeclaredMethod("add");
ctMethod.insertBefore("a = 100;");
byte[] bytes = ctClass.toBytecode();
ctClass.detach();
return bytes;
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
}

这里可以将class byte[]字节流写入到本地文件xx.class,使用javap可观察字节码的变化,发现add方法多了bipush 100 istore_0两条指令,bipush 100将 100push到操作数栈栈顶, istore_0将栈顶元素store到局部变量表第 0 个位置,这时候局部变量表原来的值就被替换掉了。

public static int add(int, int);
descriptor: (II)I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: bipush 100
2: istore_0
3: iload_0
4: iload_1
5: iadd
6: ireturn
LineNumberTable:
line 31: 3
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 7 0 a I
0 7 1 b I

自定义 Agent

JavaAgent 运行时修改字节码,需要自定义类并且方法签名如下其一,且定义定义 MANIFEST.MF,指定Agent-Class为自定义类。

  • public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst)
  • public static void agentmain(String agentArgs)
public class MainAgent {

// 以Attach的方式载入,在Java程序运行时载入
public static void agentmain(String agentArgs, Instrumentation inst) throws UnmodifiableClassException {
//添加 Transformer
inst.addTransformer(new NumberAddTransform(), true);
Class[] allLoadedClasses = inst.getAllLoadedClasses();
for (Class allLoadedClass : allLoadedClasses) {
String simpleName = allLoadedClass.getName();
// 需要转换的类
if ("com.xx.NumberAdd".equals(allLoadedClass.getName())) {
inst.retransformClasses(allLoadedClass);
}
}
}

// 在Java程序启动时载入 -javaagent:
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {

}
}

Maven 插件生成 MANIFEST.MF

使用maven-assembly-plugin插件生成 MANIFEST.MF,指定Premain-ClassAgent-ClassCan-Redefine-ClassesCan-Retransform-Classes

<manifestEntries>
<Premain-Class>com.xx.MainAgent</Premain-Class>
<Agent-Class>com.xx.MainAgent</Agent-Class>
<Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>
<Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>
</manifestEntries>

编译打包

编译打包Agent jar,复制到/temp/instrument-1.0.0.jar

mvn clean package

启动应用 jar

执行应用的jar

java -jar NumberAdd.jar

加载 Agent

使用 VirtualMachine 加载 Agent,加载成功后,add方法的参数就被篡改了。

public static void main(String[] args) throws Exception {
VirtualMachine virtualMachine = VirtualMachine.attach("53110");
virtualMachine.loadAgent("/temp/instrument-1.0.0.jar");
virtualMachine.detach();
}

Jvm-SandBox

可见上述例子单纯的使用 JavaAgent,编程模型相对复杂,配置度较高,还需考虑类隔离、卸载、多模块的管理等等。Jvm-SandBox通过Module沙箱隔离机制很好的实现了这些,chaosblade-exec-jvm集成了Jvm-SandBox

Module

新建一个工程,依赖 Jvm-SandBox

<parent>
<groupId>com.alibaba.jvm.sandbox</groupId>
<artifactId>sandbox-module-starter</artifactId>
<version>1.2.0</version>
</parent>

新建 Module,打包成 jar,只需要简单的几行代码即可实现基于 JavaAgent 的运行时字节码修改。

@MetaInfServices(Module.class)
@Information(id = "NumberAdd")
public class NumberAddModule implements Module {

@Resource
private ModuleEventWatcher moduleEventWatcher;

@Command("add")
public void repairCheckState() {
new EventWatchBuilder(moduleEventWatcher)
.onClass("com.xy.NumberAdd")
.onBehavior("add")
.onWatch(new AdviceListener() {
@Override
protected void before(Advice advice) throws Throwable {
Object[] parameterArray = advice.getParameterArray();
parameterArray[0] = 100;
}
});
}

}

加载 Agent

下载Jvm-SandBox解压:

cd sandbox
./install-local.sh

把 jar 包拷贝到 'module/的模块下面,启动沙箱:

./sandbox.sh -p 24253 -d 'NumberAdd/add'

启动成功后,add方法的参数就被篡改了。

卸载沙箱:

./sandbox.sh -p 24253 -S

chaosblade-exec-jvm

chaosblade-exec-jvm集成了Jvm-SandBox,在make编译之后,作为Jvm-SandBox的一个 module。chaosblade-exec-jvm基于Jvm-SandBox的事件监听机制,拓展了插件的设计。