上述整個過程，如下圖所示：

JPDA 模塊層次

當(dāng)然式镐，開發(fā)人員完全可以不使用完整的三個層次反镇，而是 基于其中的某一個層次開發(fā)自己的應(yīng)用。比如：完全可以僅僅依靠通過 JVMTI 函數(shù)開發(fā)一個調(diào)試工具娘汞，而不使用 JDWP 和 JDI歹茶，只使用自己的通訊和命令接口。當(dāng)然你弦，除非是有特殊的需求惊豺，利用已有的實現(xiàn)會事半功倍，避免重復(fù)發(fā)明輪子禽作。

下面尸昧，我們就分別講解下JPDA的三種組成模塊：

1. Java 虛擬機工具接口（JVMTI）

   JVMTI（Java Virtual Machine Tool Interface）即指 Java 虛擬機工具接口，它是 一套由虛擬機直接提供的 native 接口旷偿，它處于整個 JPDA 體系的最底層烹俗，所有調(diào)試功能本質(zhì)上都需要通過 JVMTI 來提供爆侣。通過這些接口，開發(fā)人員不僅調(diào)試在該虛擬機上運行的 Java 程序幢妄，還能 查看它們運行的狀態(tài)兔仰，設(shè)置回調(diào)函數(shù)，控制某些環(huán)境變量磁浇，從而優(yōu)化程序性能斋陪。

2. Java 調(diào)試線協(xié)議（JDWP）

   JDWP（Java Debug Wire Protocol）是一個為 Java 調(diào)試而設(shè)計的一個通訊交互協(xié)議，它定義了調(diào)試器和被調(diào)試程序之間傳遞的信息的格式置吓。

   在 JPDA 體系中无虚，作為前端（front-end）的調(diào)試者（debugger）進(jìn)程和后端（back-end）的被調(diào)試程序（debuggee）進(jìn)程之間的交互數(shù)據(jù)的格式就是由 JDWP 來描述的，它詳細(xì)完整地定義了請求命令衍锚、回應(yīng)數(shù)據(jù)和錯誤代碼友题，保證了前端和后端的 JVMTI 和 JDI 的通信通暢。

   比如：在 Sun 公司提供的實現(xiàn)中戴质，它提供了一個名為 jdwp.dll（jdwp.so）的動態(tài)鏈接庫文件度宦，這個動態(tài)庫文件實現(xiàn)了一個 Agent，它會負(fù)責(zé)解析前端發(fā)出的請求或者命令告匠，并將其轉(zhuǎn)化為 JVMTI 調(diào)用戈抄，然后將 JVMTI 函數(shù)的返回值封裝成 JDWP 數(shù)據(jù)發(fā)還給后端。

   另外后专，這里需要注意的是 JDWP 本身并不包括傳輸層的實現(xiàn)划鸽，傳輸層需要獨立實現(xiàn)，但是 JDWP 包括了和傳輸層交互的嚴(yán)格的定義戚哎，就是說裸诽，JDWP 協(xié)議雖然不規(guī)定我們是通過 EMS 還是快遞運送貨物的，但是它規(guī)定了我們傳送的貨物的擺放的方式型凳。在 Sun 公司提供的 JDK 中丈冬，在傳輸層上，它提供了 socket 方式甘畅，以及在 Windows 上的 shared memory 方式埂蕊。當(dāng)然，傳輸層本身無非就是本機內(nèi)進(jìn)程間通信方式和遠(yuǎn)端通信方式疏唾，也可以按 JDWP 的標(biāo)準(zhǔn)自己實現(xiàn)蓄氧。

3. Java 調(diào)試接口（JDI）

   JDI（Java Debug Interface）是三個模塊中最高層的接口，在多數(shù)的 JDK 中荸实，它是由 Java 語言實現(xiàn)的匀们。 JDI 由針對前端定義的接口組成缴淋，通過它准给，調(diào)試工具開發(fā)人員就能通過前端虛擬機上的調(diào)試器來遠(yuǎn)程操控后端虛擬機上被調(diào)試程序的運行泄朴，JDI 不僅能幫助開發(fā)人員格式化 JDWP 數(shù)據(jù)，而且還能為 JDWP 數(shù)據(jù)傳輸提供隊列露氮、緩存等優(yōu)化服務(wù)祖灰。從理論上說，開發(fā)人員只需使用 JDWP 和 JVMTI 即可支持跨平臺的遠(yuǎn)程調(diào)試畔规，但是直接編寫 JDWP 程序費時費力局扶，而且效率不高。因此基于 Java 的 JDI 層的引入叁扫，簡化了操作三妈，提高了開發(fā)人員開發(fā)調(diào)試程序的效率。

JPDA 層次比較

1.2 JPDA 實現(xiàn)

每一個虛擬機都應(yīng)該實現(xiàn) JVMTI 接口莫绣，但是 JDWP 和 JDI 本身與虛擬機并非是不可分的畴蒲，這三個層之間是通過標(biāo)準(zhǔn)所定義的交互的接口和協(xié)議聯(lián)系起來的，因此它們可以被獨立替換或取代对室，但不會影響到整體調(diào)試工具的開發(fā)和使用模燥。因此，開發(fā)和使用自己的 JDWP 和 JDI 接口實現(xiàn)是可能的掩宜。

Java 軟件開發(fā)包（SDK）標(biāo)準(zhǔn)版里提供了 JPDA 三個層次的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)蔫骂，事實上，調(diào)試工具開發(fā)人員還有很多其他開源實現(xiàn)可以選擇牺汤，比如 Apache Harmony 提供了 JDWP 的實現(xiàn)辽旋。而 JDI，我們可以在 Eclipse 一個子項目 org.eclipse.jdt.debug 里找到其完整的實現(xiàn)（Harmony 也使用了這套實現(xiàn)慧瘤，作為其 J2SE 類庫的一部分）戴已。通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，Eclipse IDE 的調(diào)試工具就可以完全在 Harmony 的環(huán)境上運行锅减。

2 JVMTI 介紹

JVMTI（JVM Tool Interface）是 Java 虛擬機所提供的 native 編程接口糖儡，是 JVMPI（Java Virtual Machine Profiler Interface）和 JVMDI（Java Virtual Machine Debug Interface）的替代版本。

從這個 API 的替代軌跡中可知怔匣，JVMTI 提供了可用于 debug 和 profiler 的接口握联；同時，在 Java 5/6 中每瞒，JVMTI 接口也增加了 監(jiān)聽（Monitoring）金闽，線程分析（Thread analysis）以及覆蓋率分析（Coverage Analysis） 等功能。正是由于 JVMTI 的強大功能剿骨，它是實現(xiàn) Java 調(diào)試器代芜，以及其它 Java 運行態(tài)測試與分析工具的基礎(chǔ)。

JVMTI 是一套本地代碼接口浓利，可以使開發(fā)者直接與 C/C++ 以及 JNI 打交道挤庇。

那么钞速，開發(fā)者是如何來使用JVMTI所提供的接口呢？事實上嫡秕，一般采用建立一個 Agent 的方式來使用 JVMTI渴语，這個Agent的表現(xiàn)形式是一個以c/c++語言編寫的動態(tài)鏈接庫。

把 Agent 編譯成一個動態(tài)鏈接庫昆咽，Java啟動或運行時驾凶，動態(tài)加載一個外部基于JVMTI 編寫的dynamic module到Java進(jìn)程內(nèi)，然后觸發(fā) JVM源生線程Attach Listener來執(zhí)行這個dynamic module的回調(diào)函數(shù) 掷酗。

在回調(diào)函數(shù)體內(nèi)调违，可以 獲取各種各樣的VM級信息，注冊感興趣的VM事件泻轰，甚至控制VM行為翰萨。

2.1 Agent 工作過程

2.1.1 啟動

JVMTI有兩種啟動方式，第一種是隨Java進(jìn)程啟動時糕殉，自動載入共享庫亩鬼，下文簡稱 啟動時載入。另一種方式是阿蝶，Java運行時雳锋，通過attach api動態(tài)載入，下文簡稱 運行時載入羡洁。

啟動時載入玷过，通過在Java命令行啟動時傳遞一個特殊的option，如下：

1. java -agentlib:<agent-lib-name>=<options> Sample
   注意筑煮，這里的共享庫路徑是環(huán)境變量路徑辛蚊，例如 java -agentlib:foo=opt1,opt2，java啟動時會從linux的LD_LIBRARY_PATH或windows的PATH環(huán)境變量定義的路徑處裝載foo.so或foo.dll真仲，找不到則拋異常

2. java -agentpath:<path-to-agent>=<options> Sample
   這是 以絕對路徑的方式裝載共享庫袋马，例如 java -agentpath:/home/admin/agentlib/foo.so=opt1,opt2

啟動時載入，處于虛擬機初始化的早期秸应，在這個時間點上：

1. 所有的 Java 類都未被初始化虑凛；
2. 所有的 Java 對象實例都未被創(chuàng)建；
3. 因而软啼，沒有任何 Java 代碼被執(zhí)行桑谍；

但在這個時候，我們已經(jīng)可以：

1. 操作 JVMTI 的 Capability 參數(shù)祸挪；
2. 使用系統(tǒng)參數(shù)锣披；

動態(tài)庫被加載之后，虛擬機會先尋找一個 Agent 入口函數(shù)：

JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *options, void *reserved)

在這個Agent_OnLoad函數(shù)中，虛擬機傳入了三個參數(shù)：

1. JavaVM *vm：JVM上下文雹仿，通過 JavaVM榜跌，可以獲得 JVMTI 的指針，并獲得 JVMTI 函數(shù)的使用能力盅粪；
2. char *options：外部傳入的參數(shù)，比如上面例子中給的 opt1, opt2悄蕾，它僅僅是一個字符串票顾；
3. void *reserved：一個預(yù)留參數(shù)，不必關(guān)心它帆调；

運行時載入奠骄，通過attach api，這是一套純Java的API番刊，它負(fù)責(zé)動態(tài)地將dynamic module attach到指定進(jìn)程id的Java進(jìn)程內(nèi)并觸發(fā)回調(diào)含鳞。例子如下：

import java.io.IOException;
import com.sun.tools.attach.VirtualMachine;

public class VMAttacher {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
         // args[0]為java進(jìn)程id
         VirtualMachine virtualMachine = com.sun.tools.attach.VirtualMachine.attach(args[0]);
         // args[1]為共享庫路徑，args[2]為傳遞給agent的參數(shù)
         virtualMachine.loadAgentPath(args[1], args[2]);
         virtualMachine.detach();
    }
}

Attach API位于$JAVA_HOME/lib/tools.jar芹务，所以在編譯時蝉绷，需要將這個jar放入classpath。例如：

javac -cp $JAVA_HOME/lib/tools.jar VMAttacher.java pid /home/admin/agentlib/foo.so opt1,opt2

運行時載入枣抱，虛擬機會在運行時監(jiān)聽并接受 Agent 的加載熔吗，在這個時候，它會使用 Agent 的：

JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnAttach(JavaVM* vm, char *options, void *reserved);

2.1.2 卸載

最后佳晶，Agent 完成任務(wù)桅狠，或者虛擬機關(guān)閉的時候，虛擬機都會調(diào)用一個類似于類析構(gòu)函數(shù)的方法來完成最后的清理任務(wù)：

JNIEXPORT void JNICALL Agent_OnUnload(JavaVM *vm)

2.2 JVMTI 環(huán)境和錯誤處理

使用 JVMTI 的過程轿秧，主要是 設(shè)置 JVMTI 環(huán)境中跌，監(jiān)聽虛擬機所產(chǎn)生的事件，以及在某些事件上加上回調(diào)函數(shù)菇篡。

2.2.1 JVMTI 環(huán)境

通過操作 jvmtiCapabilities 來查詢漩符、增加、修改 JVMTI 的環(huán)境參數(shù)驱还。標(biāo)準(zhǔn)的 jvmtiCapabilities 定義了一系列虛擬機的功能陨仅，比如：

1. can_redefine_any_class：定義了虛擬機是否支持重定義類；
2. can_retransform_classes：定義了虛擬機是否支持運行的時候改變類定義铝侵；

如果熟悉 Java Instrumentation灼伤，一定不會對此感到陌生，因為 Instrumentation 就是對這些在 Java 層上的包裝咪鲜。對用戶來說狐赡，只需獲得 jvmtiCapabilities指針，就可以查看當(dāng)前 JVMTI 環(huán)境疟丙，了解虛擬機具有的一系列變量功能颖侄。

// 取得 jvmtiCapabilities 指針
err = (*jvmti)->GetCapabilities(jvmti, &capa);
if (err == JVMTI_ERROR_NONE) {
    // 查看是否支持重定義類 
    if (capa.can_redefine_any_class) { ... }
} 

另外鸟雏，虛擬機有自己的一些功能，一開始并未被啟動览祖，那么 增加或修改 jvmtiCapabilities 也是可能的孝鹊，但不同的虛擬機對這個功能的處理也不太一樣，多數(shù)的虛擬機允許增改展蒂，但是有一定的限制又活，比如：僅支持在 Agent_OnLoad 時，即虛擬機啟動時作出锰悼，它某種程度上反映了虛擬機本身的構(gòu)架柳骄。開發(fā)人員無需要考慮 Agent 的性能和內(nèi)存占用，就可以在 Agent 被加載的時候啟用所有功能：

// 取得所有可用的功能
err = (*jvmti)->GetPotentialCapabilities(jvmti, &capa);
if (err == JVMTI_ERROR_NONE) { 
    err = (*jvmti)->AddCapabilities(jvmti, &capa); 
    ... 
}

最后要注意的箕般，JVMTI 的函數(shù)調(diào)用都有其時間性耐薯，即特定的函數(shù)只能在特定的虛擬機狀態(tài)下才能調(diào)用。

比如：SuspendThread（掛起線程）這個動作丝里，僅在 Java 虛擬機處于運行狀態(tài)（live phase）才能調(diào)用曲初，否則導(dǎo)致一個內(nèi)部異常。

2.2.2 JVMTI 錯誤處理

JVMTI 沿用了基本的錯誤處理方式杯聚，即使用返回的錯誤代碼通知當(dāng)前的錯誤复斥，幾乎所有的 JVMTI 函數(shù)調(diào)用都具有以下模式：

jvmtiError err = jvmti->someJVMTImethod (somePara … );

其中 err 就是返回的錯誤代碼，不同函數(shù)的錯誤信息可以在 Java 規(guī)范里查到械媒。

2.3 JVMTI 基本功能

JVMTI 的功能非常豐富目锭，包含了 虛擬機中線程、內(nèi)存 / 堆 / 棧纷捞，類 / 方法 / 變量痢虹，事件 / 定時器處理等等 20 多類功能，從功能上大致可以分為4類主儡，如下：

1. Heap：獲取所有類的信息奖唯，對象信息，對象引用關(guān)系糜值，F(xiàn)ull GC開始/結(jié)束丰捷，對象回收事件等；
2. 線程與堆棧：獲取所有線程的信息寂汇，線程組信息病往，控制線程（start,suspend,resume,interrupt…）, Thread Monitor(Lock)，得到線程堆棧骄瓣，控制出棧停巷，方法強制返回，方法棧本地變量等目代；
3. Class & Object & Method & Field 元信息：class信息牺弄，符號表弄屡，方法表扬霜，redefine class（hotswap）, retransform class，object信息莉恼，fields信息囚枪，method信息等发笔；
4. 工具類：線程cpu消耗缸榛，classloader路徑修改吝羞，系統(tǒng)屬性獲取等；

2.3.1 事件處理和回調(diào)函數(shù)

從上文我們知道仔掸，使用 JVMTI 一個基本的方式就是設(shè)置回調(diào)函數(shù)，在某些事件發(fā)生的時候觸發(fā)并作出相應(yīng)的動作医清。

因此這一部分的功能非称鹉海基本，當(dāng)前版本的 JVMTI 提供了許多事件（Event）的回調(diào)会烙，包括 虛擬機初始化负懦、開始運行、結(jié)束柏腻，類的加載纸厉，方法出入，線程始末等等五嫂。如果想對這些事件進(jìn)行處理颗品，需要首先為該事件寫一個函數(shù)，然后在 jvmtiEventCallbacks 這個結(jié)構(gòu)中指定相應(yīng)的函數(shù)指針沃缘。

比如：我們對線程啟動感興趣躯枢，并寫了一個 HandleThreadStart 函數(shù)，那么我們需要在 Agent_OnLoad 函數(shù)里加入：

jvmtiEventCallbacks eventCallBacks; 
// 初始化
memset(&ecbs, 0, sizeof(ecbs));
// 設(shè)置函數(shù)指針
eventCallBacks.ThreadStart = &HandleThreadStart;
...

在設(shè)置了這些回調(diào)之后槐臀，就可以調(diào)用下述方法锄蹂，來最終完成設(shè)置。在接下來的虛擬機運行過程中水慨，一旦有線程開始運行發(fā)生得糜，虛擬機就會回調(diào) HandleThreadStart 方法。

jvmti->SetEventCallbacks(eventCallBacks, sizeof(eventCallBacks));

設(shè)置回調(diào)函數(shù)的時候晰洒，開發(fā)者需要注意以下幾點：

1. 如同 Java 異常機制一樣朝抖，如果在回調(diào)函數(shù)中自己拋出一個異常（Exception），或者在調(diào)用 JNI 函數(shù)的時候制造了一些麻煩谍珊，讓 JNI 丟出了一個異常槽棍，那么 任何在回調(diào)之前發(fā)生的異常就會丟失，這就要求開發(fā)人員要在處理錯誤的時候需要當(dāng)心。
2. 虛擬機不保證回調(diào)函數(shù)會被同步炼七，換句話說缆巧，程序有可能同時運行同一個回調(diào)函數(shù)（比如，好幾個線程同時開始運行了豌拙，這個 HandleThreadStart 就會被同時調(diào)用幾次）陕悬，那么開發(fā)人員在開發(fā)回調(diào)函數(shù)時需要處理同步的問題。

2.3.2 內(nèi)存控制和對象獲取

內(nèi)存控制是一切運行態(tài)的基本功能按傅。 JVMTI 除了提供最簡單的內(nèi)存申請和撤銷之外（這塊內(nèi)存不受 Java 堆管理捉超，開發(fā)人員需要自行進(jìn)行清理工作，不然會造成內(nèi)存泄漏）唯绍，也提供了對 Java 堆的操作拼岳。

眾所周知，Java 堆中存儲了 Java 的類况芒、對象和基本類型（Primitive）惜纸，通過對堆的操作，開發(fā)人員可以很容易的查找任意的類绝骚、對象耐版，甚至可以強行執(zhí)行垃圾收集工作。

JVMTI 中對 Java 堆的操作與眾不同压汪，它沒有提供一個直接獲取的方式（由此可見粪牲，虛擬機對對象的管理并非是哈希表，而是某種樹 / 圖方式）止剖，而是使用一個迭代器（iterater）的方式遍歷：

jvmtiError FollowReferences(jvmtiEnv* env, 
    jint heap_filter, 
    jclass klass, 
    jobject initial_object,// 該方式可以指定根節(jié)點
    const jvmtiHeapCallbacks* callbacks,// 設(shè)置回調(diào)函數(shù)
    const void* user_data)

或者

jvmtiError IterateThroughHeap(jvmtiEnv* env, 
    jint heap_filter, 
    jclass klass, 
    const jvmtiHeapCallbacks* callbacks, 
    const void* user_data)// 遍歷整個 heap

在遍歷的過程中腺阳，開發(fā)者可以設(shè)定一定的條件，比如：指定是某一個類的對象穿香，并設(shè)置一個回調(diào)函數(shù)舌狗，如果條件被滿足，回調(diào)函數(shù)就會被執(zhí)行扔水。開發(fā)者可以在回調(diào)函數(shù)中對當(dāng)前傳回的指針進(jìn)行打標(biāo)記（tag）操作——這又是一個特殊之處痛侍，在第一遍遍歷中，只能對滿足條件的對象進(jìn)行 tag 魔市；然后再使用 GetObjectsWithTags 函數(shù)主届，獲取需要的對象。

jvmtiError GetObjectsWithTags(jvmtiEnv* env, 
    jint tag_count, 
    const jlong* tags, // 設(shè)定特定的 tag待德，即我們上面所設(shè)置的
    jint* count_ptr, 
    jobject** object_result_ptr, 
    jlong** tag_result_ptr)

如果你僅僅想對特定 Java 對象操作君丁，應(yīng)該避免設(shè)置其他類型的回調(diào)函數(shù)，否則會影響效率将宪，舉例來說绘闷，多增加一個 primitive 的回調(diào)函數(shù)橡庞，可能會使整個操作效率下降一個數(shù)量級。

2.3.3 線程和鎖

線程是 Java 運行態(tài)中非常重要的一個部分印蔗，在 JVMTI 中也提供了很多 API 進(jìn)行相應(yīng)的操作扒最，包括查詢當(dāng)前線程狀態(tài)，暫停华嘹，恢復(fù)或者終端線程吧趣，還可以對線程鎖進(jìn)行操作。

開發(fā)者可以獲得特定線程所擁有的鎖：

jvmtiError GetOwnedMonitorInfo(jvmtiEnv* env, 
    jthread thread, 
    jint* owned_monitor_count_ptr, 
    jobject** owned_monitors_ptr)

也可以獲得當(dāng)前線程正在等待的鎖：

jvmtiError GetCurrentContendedMonitor(jvmtiEnv* env, 
    jthread thread, 
    jobject* monitor_ptr)

知道這些信息耙厚，事實上我們也可以設(shè)計自己的算法來判斷是否死鎖强挫。更重要的是，JVMTI 提供了一系列的監(jiān)視器（Monitor）操作薛躬，來幫助我們在 native 環(huán)境中實現(xiàn)同步俯渤。

主要操作：構(gòu)建監(jiān)視器（CreateRawMonitor），獲取監(jiān)視器（RawMonitorEnter）型宝，釋放監(jiān)視器（RawMonitorExit）八匠，等待和喚醒監(jiān)視器 (RawMonitorWait,RawMonitorNotify) 等操作，通過這些簡單鎖诡曙，程序的同步操作可以得到保證臀叙。

2.3.4 調(diào)試功能

調(diào)試功能是 JVMTI 的基本功能之一略水，這主要包括了設(shè)置斷點价卤、調(diào)試（step）等，在 JVMTI 里面渊涝，設(shè)置斷點的 API 本身很簡單：

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

jlocation 這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在這里代表的是對應(yīng)方法中一個可執(zhí)行代碼的行數(shù)慎璧。在斷點發(fā)生的時候，虛擬機會觸發(fā)一個事件跨释，開發(fā)者可以使用在上文中介紹過的方式對事件進(jìn)行處理胸私。

2.3.5 JVMTI 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

JVMTI 中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，首先也是一些標(biāo)準(zhǔn)的 JNI 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鳖谈，比如：jint岁疼，jlong ；其次缆娃，JVMTI 也定義了一些基本類型捷绒，比如：jthread，表示一個 thread贯要，jvmtiEvent暖侨，表示 jvmti 所定義的事件；更復(fù)雜的有 JVMTI 的一些需要用結(jié)構(gòu)體表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)崇渗，比如：堆的信息（jvmtiStackInfo）字逗。