Spring之LoadTimeWeaver——一个需求引发的思考

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Java

Spring AOP Bean XML Eclipse

最近有个需求——记录应用中某些接口被调用的轨迹，说白了，记录下入参、出参等即可。

我选用ApsectJ解决这个问题，前期讨论说在接口层埋点，但这样有个问题，代码侵入比较严重，需要修改每个需要关注的接口实现类。经过一番讨论，决定使用AOP拦截所有这样的接口。

后面又有个新的要求——沙箱环境拦截，生产环境不予拦截。

这样就有个眼前的问题需要我们解决，就是同一份应用包如何区分沙箱环境和生产环境并执行不同的行为。同事提醒我可以考虑Spring的LTW，即Load Time Weaving。

在Java 语言中，从织入切面的方式上来看，存在三种织入方式：编译期织入、类加载期织入和运行期织入。编译期织入是指在Java编译期，采用特殊的编译器，将切面织入到Java类中；而类加载期织入则指通过特殊的类加载器，在类字节码加载到JVM时，织入切面；运行期织入则是采用CGLib工具或JDK动态代理进行切面的织入。

AspectJ采用编译期织入和类加载期织入的方式织入切面，是语言级的AOP实现，提供了完备的AOP支持。它用AspectJ语言定义切面，在编译期或类加载期将切面织入到Java类中。

AspectJ提供了两种切面织入方式，第一种通过特殊编译器，在编译期，将AspectJ语言编写的切面类织入到Java类中，可以通过一个Ant或Maven任务来完成这个操作；第二种方式是类加载期织入，也简称为LTW（Load Time Weaving）。

如何使用Load Time Weaving？首先，需要通过JVM的-javaagent参数设置LTW的织入器类包，以代理JVM默认的类加载器；第二，LTW织入器需要一个 aop.xml文件，在该文件中指定切面类和需要进行切面织入的目标类。

下面我将通过一个简单的例子在描述如何使用LTW。

例子所作的是记录被调用方法的执行时间和CPU使用率。其实这在实际生产中很有用，与其拉一堆性能测试工具，不如动手做个简单的分析切面，使我们能很快得到一些性能指标。我指的是没有硬性的性能测试需求下。

首先我们编写一个被织入的受体类，也就是被拦截的对象。

public class DemoBean {
    public void run() {
       System.out.println("Run");
    }
}

接着，我们编写分析方法执行效率的切面。

@Aspect
public class ProfilingAspect {
    @Around("profileMethod()")
    public Object profile(ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable {
       StopWatch sw = new StopWatch(getClass().getSimpleName());
       try {
           sw.start(pjp.getSignature().getName());
           return pjp.proceed();
       } finally {
           sw.stop();
           System.out.println(sw.prettyPrint());
       }
    }
    @Pointcut("execution(public * com.shansun..*(..))")
    public void profileMethod() {}
}

前文提到，我们还需要一个aop.xml。这个文件要求放在META-INF/aop.xml路径下，以告知AspectJ Weaver我们需要把ProfilingAspect织入到应用的哪些类中。

<!DOCTYPE aspectj PUBLIC "-//AspectJ//DTD//EN" "http://www.eclipse.org/aspectj/dtd/aspectj.dtd">
<aspectj>
    <weaver>
       <include within="com.shansun..*" />
    </weaver>
    <aspects>
       <!-- weave in just this aspect -->
       <aspect name="com.shansun.multidemo.spring.ltw.ProfilingAspect" />
    </aspects>
</aspectj>

目前为止，本次切面的“攻”和“受”都准备好了，我们还需要一个中间媒介——LoadTimeWeaver。我们将Spring的配置文件添加红色标识内容。

<?xml version="1.0" encoding="GBK"?>
 
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:aop="http://www.springframework.org/schema/aop"
    xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context" xmlns:tx="http://www.springframework.org/schema/tx"
    xsi:schemaLocation="
        http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans-2.5.xsd
        http://www.springframework.org/schema/aop http://www.springframework.org/schema/aop/spring-aop-2.5.xsd
        http://www.springframework.org/schema/context http://www.springframework.org/schema/context/spring-context-2.5.xsd
        http://www.springframework.org/schema/tx http://www.springframework.org/schema/tx/spring-tx-2.5.xsd">
    <context:load-time-weaver aspectj-weaving="autodetect" />
 
    <context:component-scan base-package="com.shansun.multidemo"></context:component-scan>
</beans>

通过 <context:load-time-weaver aspectj-weaving="on" /> 使 spring 开启 loadtimeweaver, 注意 aspectj-weaving 有三个选项 : on, off, auto-detect, 如果设置为 auto-detect, spring 将会在 classpath 中查找 aspejct 需要的 META-INF/aop.xml，如果找到则开启 aspectj weaving, 这个逻辑在 LoadTimeWeaverBeanDefinitionParser#isAspectJWeavingEnabled 方法中：

protected boolean isAspectJWeavingEnabled(String value, ParserContext parserContext) {
       if ("on".equals(value)) {
           return true;
       }
       else if ("off".equals(value)) {
           return false;
       }
       else {
           // Determine default...
           ClassLoader cl = parserContext.getReaderContext().getResourceLoader().getClassLoader();
           return (cl.getResource(ASPECTJ_AOP_XML_RESOURCE) != null);
       }
}

一切都准备就绪——切面类、aop.xml、Spring的配置，我们就创建一个main方法来掩饰LTW的功效吧。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ApplicationContext ctx = new ClassPathXmlApplicationContext("applicationContext.xml");
//      DemoBean bean = (DemoBean) ctx.getBean("demoBean");
        DemoBean bean = new DemoBean();
        bean.run();
    }
}

因为这个LTW使用成熟的AspectJ，我们并不局限于通知Spring beans的方法。所以上述代码中从ApplicationContext中获取Bean和直接实例化一个Bean的效果是一样的。

注意，这里以使用Eclipse演示上述代码为例，需要在运行参数中稍作设置，即添加前文提到的-javaagent，来取代默认的类加载器。

输出结果如下：

Run

StopWatch 'ProfilingAspect': running time (millis) = 0

-----------------------------------------

ms % Task name

-----------------------------------------

0001 100% run

至此，LTW可以正常使用了，但是麻烦的是我需要在VM参数里加上-javaagent这么个东东，如果不加会如何呢？试试看。

Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: Must start with Java agent to use InstrumentationLoadTimeWeaver. See Spring documentation.
    at org.springframework.instrument.classloading.InstrumentationLoadTimeWeaver.addTransformer(InstrumentationLoadTimeWeaver.java:88)
    at org.springframework.context.weaving.AspectJWeavingEnabler.postProcessBeanFactory(AspectJWeavingEnabler.java:69)
    at org.springframework.context.support.AbstractApplicationContext.invokeBeanFactoryPostProcessors(AbstractApplicationContext.java:553)
    at org.springframework.context.support.AbstractApplicationContext.invokeBeanFactoryPostProcessors(AbstractApplicationContext.java:536)
    at org.springframework.context.support.AbstractApplicationContext.refresh(AbstractApplicationContext.java:362)
    at org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext.<init>(ClassPathXmlApplicationContext.java:139)
    at org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext.<init>(ClassPathXmlApplicationContext.java:83)
    at com.shansun.multidemo.spring.Main.main(Main.java:25)

必需使用java agent么？仔细观察异常的出处InstrumentationLoadTimeWeaver。再深入这个类的内容，发现异常是由下述方法抛出的。

public void addTransformer(ClassFileTransformer transformer) {
       Assert.notNull(transformer, "Transformer must not be null");
       FilteringClassFileTransformer actualTransformer =
              new FilteringClassFileTransformer(transformer, this.classLoader);
       synchronized (this.transformers) {
           if (this.instrumentation == null) {
              throw new IllegalStateException(
                     "Must start with Java agent to use InstrumentationLoadTimeWeaver. See Spring documentation.");
           }
           this.instrumentation.addTransformer(actualTransformer);
           this.transformers.add(actualTransformer);
       }
}

不难发现它在校验instrumentation是否为空的时候抛出的异常。有办法啦，重写InstrumentationLoadTimeWeaver的addTransformer方法，隐匿异常即可。

public class ExtInstrumentationLoadTimeWeaver extends
        InstrumentationLoadTimeWeaver {
 
    @Override
    public void addTransformer(ClassFileTransformer transformer) {
       try {
           super.addTransformer(transformer);
       } catch (Exception e) {}
    }
}

这时，我们还需要做一件事，将Spring配置文件中的load-time-weaver入口设置为我们刚自定义的ExtInstrumentationLoadTimeWeaver即可。

<?xml version="1.0" encoding="GBK"?>
 
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:aop="http://www.springframework.org/schema/aop"
    xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context" xmlns:tx="http://www.springframework.org/schema/tx"
    xsi:schemaLocation="
        http://www.springframework.org/schema/beans http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans-2.5.xsd
        http://www.springframework.org/schema/aop http://www.springframework.org/schema/aop/spring-aop-2.5.xsd
        http://www.springframework.org/schema/context http://www.springframework.org/schema/context/spring-context-2.5.xsd
        http://www.springframework.org/schema/tx http://www.springframework.org/schema/tx/spring-tx-2.5.xsd">
    <context:load-time-weaver weaver-class="com.shansun.multidemo.spring.ExtInstrumentationLoadTimeWeaver" aspectj-weaving="autodetect" />
 
    <context:component-scan base-package="com.shansun.multidemo"></context:component-scan>
</beans>

再次运行我们的main方法，发现只输出了如下结果，切面没有起作用。

Run

看到了么，同一份代码、同一份配置，只需要在VM启动参数中稍加变化，即可实现同一个应用包在不同环境下可以自由选择使用使用AOP功能。文章开头提到的那个需求也就迎刃而解了。

这只是一种解决途径，相信大家会有更好的方案。如果有，请您告诉我。J

参考文档：

1、使用AspectJ LTW(Load Time Weaving)

2、Spring LoadTimeWeaver 的那些事儿

3、在Spring应用中使用AspectJ

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