分布式系统性能监控工具，初探Pinpoint Agent启动源码

作者：未完成交响曲，资深Java工程师！目前在某一线互联网公司任职，架构师社区合伙人！

本文源码基于Pinpoint 2.0.3-SNAPSHOT版本
官方开源地址：https://github.com/naver/pinpoint

Pinpoint Agent

Pinpoint通过字节码增强技术来实现无侵入式的调用链采集。其核心实现是基于JVM的Java Agent机制。

我们使用Pinpoint时，需要在Java应用启动参数上加上-javaagent:$AGENT_PATH/pinpoint-bootstrap-$VERSION.jar参数，这样，当我们的Java应用启动时，会同时启动Agent。

Pinpoint Agent在启动的时候，会加载plugin文件夹下所有的插件，这些插件会对特定class类修改字节码，在一些指定的方法调用前后加上链路采集逻辑（比如Dubbo中AbstractProxyInvoker的invoke()方法），这样就实现了调用链监控功能。

Pinpoint官方文档中的原理描述：

执行premain()方法

通过上述配置可知，当我们启动接入了pinpoint的Java应用时，会先执行PinpointBootStrap.premain()方法：

去掉了日志等非核心逻辑代码

public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) {
    // 1.设置启动状态，避免重复初始化
    final boolean success = STATE.start();
    if (!success) {
        return;
    }

    // 2.初始化和解析启动参数
    final JavaAgentPathResolver javaAgentPathResolver = JavaAgentPathResolver.newJavaAgentPathResolver();
    final String agentPath = javaAgentPathResolver.resolveJavaAgentPath();
    final Map<String, String> agentArgsMap = argsToMap(agentArgs);
    final ClassPathResolver classPathResolver = new AgentDirBaseClassPathResolver(agentPath);

    // 3.查找核心jar包
    final AgentDirectory agentDirectory = resolveAgentDir(classPathResolver);
    BootDir bootDir = agentDirectory.getBootDir();
    appendToBootstrapClassLoader(instrumentation, bootDir);

    // 4.获取类加载器，加载核心jar中的类
    ClassLoader parentClassLoader = getParentClassLoader();
    final ModuleBootLoader moduleBootLoader = loadModuleBootLoader(instrumentation, parentClassLoader);
    PinpointStarter bootStrap = new PinpointStarter(parentClassLoader, agentArgsMap, agentDirectory, instrumentation, moduleBootLoader);

    // 5.启动bootStrap
    if (!bootStrap.start()) {
        logPinpointAgentLoadFail();
    }
}

可以看到premain()方法有两个参数，最重要的是这个instrumentation对象

Instrumentation是Java提供的一个来自JVM的接口，该接口提供了一系列查看和操作Java类定义的方法，例如修改类的字节码、向classLoader的classpath下加入jar文件等，

在PinpointBootStrap.premain()方法中，主要完成了相关jar包的查找和加载，然后将一系列配置以及instrumentation对象构造成PinpointStarter对象，并执行start()方法完成后续的启动：

boolean start() {
    // 1.读取agentId和applicationName
    final AgentIds agentIds = resolveAgentIds();
    final String agentId = agentIds.getAgentId();
    final String applicationName = agentIds.getApplicationName();
    final boolean isContainer = new ContainerResolver().isContainer();

    try {
        // 2.解析并加载配置
        final Properties properties = loadProperties();
        ProfilerConfig profilerConfig = new DefaultProfilerConfig(properties);

        // 3.设置日志路径和版本信息到systemProperty
        saveLogFilePath(agentDirectory);
        savePinpointVersion();

        // 4.创建AgentClassLoader
        URL[] urls = resolveLib(agentDirectory);
        final ClassLoader agentClassLoader = createClassLoader("pinpoint.agent", urls, parentClassLoader);
        if (moduleBootLoader != null) {
            moduleBootLoader.defineAgentModule(agentClassLoader, urls);
        }
        final String bootClass = getBootClass();
        AgentBootLoader agentBootLoader = new AgentBootLoader(bootClass, agentClassLoader);

        final List<String> pluginJars = agentDirectory.getPlugins();

        // 5.构建AgentOption，并作为参数通过反射机制构建Agent（DefaultAgent）
        AgentOption option = createAgentOption(agentId, applicationName, isContainer, profilerConfig, instrumentation, pluginJars, agentDirectory);
        Agent pinpointAgent = agentBootLoader.boot(option);

        // 6.启动死锁监控线程、agent数据上报线程、注册ShutdownHook
        pinpointAgent.start();
        pinpointAgent.registerStopHandler();

    } catch (Exception e) {
        return false;
    }
    return true;
}

初始化上下文

上面过程其实还是加载配置并构建一些对象，这里面最核心的逻辑是构建Agent对象，执行了DefaultAgent类的构造器，初始化了上下文：

new DefaultAgent()

┆┈ DefaultAgent.newApplicationContext()

┆┈┈┈ new DefaultApplicationContext()

这里我们直接看DefaultApplicationContext类的构造器中的关键逻辑：

public DefaultApplicationContext(AgentOption agentOption, ModuleFactory moduleFactory) {
    // 1.获取Instrumentation对象
    final Instrumentation instrumentation = agentOption.getInstrumentation();

    // 2.构建Guice ioc容器，用于依赖注入
    final Module applicationContextModule = moduleFactory.newModule(agentOption);
    this.injector = Guice.createInjector(Stage.PRODUCTION, applicationContextModule);

    // 3.通过Guice注入一系列对象
    this.profilerConfig = injector.getInstance(ProfilerConfig.class);
    this.interceptorRegistryBinder = injector.getInstance(InterceptorRegistryBinder.class);
    this.instrumentEngine = injector.getInstance(InstrumentEngine.class);
    this.classFileTransformer = injector.getInstance(ClassFileTransformer.class);
    this.dynamicTransformTrigger = injector.getInstance(DynamicTransformTrigger.class);

    // 4.通过instrumentation对象注册类转换器
    instrumentation.addTransformer(classFileTransformer, true);

    ...
}

绑定TransformCallback

Guice是谷歌开源的一个轻量级的依赖注入框架，pinpoint依靠Guice管理各种对象。

在初始化ioc容器的过程中，会遍历plugin目录下的所有插件对其进行初始化，调用过程如下：

ApplicationServerTypeProvider.get()

|— PluginContextLoadResultProvider.get()

|—— new DefaultPluginContextLoadResult()

|——— DefaultProfilerPluginContextLoader.load()

|———— DefaultProfilerPluginContextLoader.setupPlugin()

|————— DefaultPluginSetup.setupPlugin()

|—————— XxxPlugin.setup()（具体Plugin实现）

以DubboPlugin为例，在setup()方法中主要对dubbo中的核心类进行转换器绑定：

@Override
public void setup(ProfilerPluginSetupContext context) {
    DubboConfiguration config = new DubboConfiguration(context.getConfig());
    ...
    this.addTransformers();
}

private void addTransformers() {
    // 为dubbo核心rpc调用类绑定Transform关系
    transformTemplate.transform("com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.AbstractInvoker", AbstractInvokerTransform.class);
    transformTemplate.transform("com.alibaba.dubbo.rpc.proxy.AbstractProxyInvoker", AbstractProxyInvokerTransform.class);
}

再来看看其中一个Transform类都做了些什么：

public static class AbstractInvokerTransform implements TransformCallback {
   @Override
    public byte[] doInTransform(Instrumentor instrumentor, ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws InstrumentException {
        // 指定目标类（上一步绑定的类）
        final InstrumentClass target = instrumentor.getInstrumentClass(loader, className, classfileBuffer);
        // 指定目标方法（方法名、参数）
        InstrumentMethod invokeMethod = target.getDeclaredMethod("invoke", "com.alibaba.dubbo.rpc.Invocation");
        if (invokeMethod != null) {
            // 为此方法添加拦截器
            invokeMethod.addInterceptor(DubboConsumerInterceptor.class);
        }
        return target.toBytecode();
    }
}

可以看到，这个类实现了TransformCallback接口，这个接口从名字上可以看出是一个回调接口，而在其doInTransform()方法中，是通过字节码增强的方式，为com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.AbstractInvoker类的invoke()方法添加了一个拦截器DubboConsumerInterceptor。

DubboConsumerInterceptor实现了AroundInterceptor接口的before()和after()方法，这里可以看出和Spring AOP很相似了，而在拦截器中，主要是对dubbo的RPC调用进行trace、span等链路追踪信息的记录。

动态类加载

在上下文初始化时，Pinpoint向instrumentation注册了一个Transformer，该接口只定义个一个方法transform()，该方法会在加载新class类或者重新加载class类时调用，其调用路径如下：

DefaultClassFileTransformerDispatcher.transform()

|— BaseClassFileTransformer.transform()

|—— MatchableClassFileTransformerDelegate.transform()

|——— TransformCallback.doInTransform()

可以看到，最后执行的就是我们在上面执行XxxPlugin.setup()方法时配置的回调接口，即对指定的方法进行字节码增强。而Java应用启动后，加载的就是我们增强后的类，从而实现链路监控或其他的功能。