LavaJUG - bytecode et JVM

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1. 1 Julien Ponge @jponge Frédéric Le Mouël @flemouel Lava JUG vendredi 8 février 13
2. 2 @jponge @flemouel vendredi 8 février 13
3. 3 Objectifs JVM, bytecode, JIT Il n’y a pas que le GC dans la vie Golo, langage dynamique Pourquoi, quoi, comment ? Partie 1 Partie 2 vendredi 8 février 13
4. Manipulation de bytecode : démocratisons la magie noire ! 4 Julien Ponge @jponge Frédéric Le Mouël @flemouel vendredi 8 février 13
5. 5 Nous faisons du middleware. dynamique pervasif adaptatif reloading multi-tenancy resource-control dynamic aspects (...) (...) vendredi 8 février 13
6. 6 Conteneurs (Java EE, Spring) Android liblayout Play! Framework JRebel Hibernate Langages sur JVM Terracotta FindBugs vendredi 8 février 13
7. 7 java.lang.reflect ... parfois il faut “plus” vendredi 8 février 13
8. 8 JVM+Bytecode ASM AspectJ Byteman JooFlux ... en fait c’est facile ! écrire et transformer du bytecode faire simplement des modifications statiques courantes avec des aspects aspects dynamiques, application à l’amélioration des couvertures de tests aspects dynamiques via invokedynamic vendredi 8 février 13
9. JVM + Bytecode crash course 9 vendredi 8 février 13
10. 10 “JVM Bytecode for Dummies” — Charles Nutter @headius Clair, complet et didactique ! vendredi 8 février 13
11. 11 java/lang/String Nom de classe vendredi 8 février 13
12. 12 V void Z boolean C char B byte S short I int F float J long D double Types primitifs vendredi 8 février 13
13. 13 Ljava/lang/String; Type objet : L; vendredi 8 février 13
14. 14 [I [Ljava/lang/String; Tableaux : [ vendredi 8 février 13
15. 15 (II)I int foo(int, int) (Ljava/lang/String;)V void foo(String) vendredi 8 février 13
16. 16 Constant pool (nombres, String, types) Variables locales Machine à pile OpCodes invocation de méthode manipulation de pile get / set champs arithmétique allocation sauts lock (...) 0 java/lang/String 1 “Foo” 2 666 ... ... 0 this (sauf static) 1 arg1 2 arg2 3 int i ... ... vendredi 8 février 13
17. 17 public class HelloWorld { public static void main(String[] args) { int i = 1; int j = 2; int k = 100; System.out.println(">>> " + (i + j + k)); } } vendredi 8 février 13
18. 18 $ javap -c HelloWorld Compiled from "HelloWorld.java" public class HelloWorld extends java.lang.Object{ public HelloWorld(); Code: 0: aload_0 1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return (...) vendredi 8 février 13
19. 18 $ javap -c HelloWorld Compiled from "HelloWorld.java" public class HelloWorld extends java.lang.Object{ public HelloWorld(); Code: 0: aload_0 1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return (...) invocation private et constructeur + invoke{static, interface, virtual, dynamic} décompilateur constructeur + <cinit>, <clinit> this dans le constant pool vendredi 8 février 13
20. 19 public static void main(java.lang.String[]); Code: 0: iconst_1 1: istore_1 2: iconst_2 3: istore_2 4: bipush 100 6: istore_3 7: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 10: new #3; //class java/lang/StringBuilder 13: dup 14: invokespecial #4; //Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V 17: ldc #5; //String >>> 19: invokevirtual #6; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuil 22: iload_1 23: iload_2 24: iadd 25: iload_3 26: iadd 27: invokevirtual #7; //Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder; 30: invokevirtual #8; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String; 33: invokevirtual #9; //Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 36: return ? ? ? vendredi 8 février 13
21. 20 1 iconst_1 0 args 1 2 3 variables vendredi 8 février 13
22. 21 istore_1 0 args 1 1 2 3 variables vendredi 8 février 13
23. 22 2 iconst_2 0 args 1 1 2 3 variables vendredi 8 février 13
24. 23 istore_2 0 args 1 1 2 2 3 variables vendredi 8 février 13
25. 24 100 bipush 100 0 args 1 1 2 2 3 variables vendredi 8 février 13
26. 25 istore_3 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
27. 26 out getstatic System.out 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
28. 27 builder out new StringBuilder 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
29. 28 builder builder out dup 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
30. 29 builder out invokespecial StringBuilder.<init> 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
31. 30 “>>> “ builder out ldc “>>> ” 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
32. 31 builder out invokevirtual append(String) 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
33. 32 1 builder out iload_1 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
34. 33 2 1 builder out iload_2 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
35. 34 3 builder out iadd 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
36. 35 100 3 builder out iload_3 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
37. 36 103 builder out iadd 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
38. 37 builder out invokevirtual append(int) 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
39. 38 “>>> 103” out invokevirtual toString() 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
40. 39 invokevirtual println(String) 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
41. 40 return 0 args 1 1 2 2 3 100 variables vendredi 8 février 13
42. ASM 41 vendredi 8 février 13
43. 42 package my; public class Main { public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("Hello Devoxx France!"); } } } Générons ceci sans javac ! vendredi 8 février 13
44. 43 i: int [start, end] start: i = 0 loop: println(System.out, “Hello Devoxx France!”) incr(i, 1) jump(loop) if (i < 10) end: return goto isn’t harmful! vendredi 8 février 13
45. 44 ClassWriter writer = new ClassWriter(COMPUTE_MAXS | COMPUTE_FRAMES); writer.visit(V1_6, ACC_PUBLIC, "my/Main", null, "java/lang/Object", null); writer.visitSource("Main.java", null); MethodVisitor mv = writer.visitMethod(ACC_STATIC | ACC_PUBLIC, "main", "([Ljava/lang/String;)V", null, null); mv.visitCode(); Classe + main(String...) vendredi 8 février 13
46. 45 Label start = new Label(); Label loop = new Label(); Label end = new Label(); mv.visitLabel(start); final int COUNTER_VAR = 1; mv.visitLocalVariable("counter", "I", null, start, end, COUNTER_VAR); mv.visitInsn(ICONST_0); mv.visitVarInsn(ISTORE, COUNTER_VAR); i = 0 vendredi 8 février 13
47. 46 mv.visitLabel(loop); mv.visitFieldInsn(GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;"); mv.visitLdcInsn("Hello Devoxx France!"); mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(Ljava/lang/String;)V"); println() vendredi 8 février 13
48. 47 mv.visitIincInsn(COUNTER_VAR, 1); mv.visitVarInsn(ILOAD, COUNTER_VAR); mv.visitLdcInsn(10); mv.visitJumpInsn(IF_ICMPLT, loop); mv.visitLabel(end); mv.visitInsn(RETURN); mv.visitMaxs(666, 666); mv.visitEnd(); writer.visitEnd(); i++, (i < 10)?, goto vendredi 8 février 13
49. 48 File outDir = new File("gen/my"); outDir.mkdirs(); FileOutputStream out = new FileOutputStream(new File(outDir, "Main.class")); out.write(writer.toByteArray()); out.close(); .class ! vendredi 8 février 13
50. 49 (réalisé sans trucages) vendredi 8 février 13
51. 50 profiling de chaque méthode utilisée par un programme vendredi 8 février 13
52. Manifest-Version: 1.0 Premain-Class: profiler.ProfilerTransformer Can-Redefine-Classes: true Can-Retransform-Classes: true Can-Set-Native-Method-Prefix: false java -javaagent:profiler.jar some.Main vendredi 8 février 13
53. 52 public class ProfilerTransformer implements ClassFileTransformer { public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) { inst.addTransformer(new ProfilerTransformer()); } public byte[] transform(ClassLoader classLoader, String s, Class<?> aClass, ProtectionDomain protectionDomain, byte[] bytes) throws IllegalClassFormatException { ClassReader reader = new ClassReader(bytes); ClassWriter writer = new ClassWriter(reader, COMPUTE_FRAMES | COMPUTE_MAXS); ProfilerClassVisitor profiler = new ProfilerClassVisitor(ASM4, writer); reader.accept(profiler, 0); return writer.toByteArray(); } } vendredi 8 février 13
54. 53 @Override public void visitCode() { super.visitCode(); startVarId = newLocal(Type.getType("J")); mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J"); mv.visitVarInsn(LSTORE, startVarId); } vendredi 8 février 13
55. 54 @Override public void visitInsn(int opcode) { if ((opcode >= IRETURN && opcode <= RETURN) || opcode == ATHROW) { (...) mv.visitMethodInsn(INVOKESTATIC, "java/lang/System", "nanoTime", "()J"); mv.visitVarInsn(LLOAD, startVarId); mv.visitInsn(LSUB); mv.visitMethodInsn(INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println", "(J)V"); } super.visitInsn(opcode); } vendredi 8 février 13
56. 55 ➟ adapters, inliner, optimizers, ... ➟ modèle objet ➟ analyse statique de code ➟ tracing, retro-engineering, ... org.objectweb.asm.commons org.objectweb.asm.tree org.objectweb.asm.tree.analysis org.objectweb.asm.util vendredi 8 février 13
57. 56 “Ok, et pour les cas plus simples ?” vendredi 8 février 13
58. 57 vendredi 8 février 13
59. 58 WTF Layer WTF Layer WTF Layer Security, validation, logging, transactions, ... vendredi 8 février 13
60. 59 public class UserController { // (...) public void update(UserProfile profile) throws ControllerException { validator.check(profile); if (logger.isLevelEnabled(DEBUG)) { logger.debug("Updating: " + profile); } dao.save(profile); redirect("/home"); } // (...) } “cross-cutting concerns” “business logic” vendredi 8 février 13
61. 60 Pointcuts Advices Inter-type declarations Où ? Quoi ? + méthodes + attributs + hiérarchie + vérifications + ordre vendredi 8 février 13
62. 61 (demo) * * en cas de plantage, ne jettez pas de tomates, merci. vendredi 8 février 13
63. 62 aspect ArgsTracer { before(): target(HelloWorld) && call(void run(String...)) { System.out.println("Calling run()"); } } Que se passe t-il avec un before ? vendredi 8 février 13
64. 63 --- HelloWorld.bytecode.original 2012-04-11 22:36:22.000000000 +0200 +++ HelloWorld.bytecode.weaved 2012-04-11 22:45:51.000000000 +0200 @@ -19,8 +19,16 @@ 3: dup 4: invokespecial #34; //Method "<init>":()V 7: aload_0 - 8: invokevirtual #35; //Method run:([Ljava/lang/String;)V - 11: return + 8: astore_1 + 9: astore_2 + 10: invokestatic #44; //Method ArgsTracer.aspectOf:()LArgsTracer; + 13: aload_2 + 14: aload_1 + 15: invokevirtual #48; //Method ArgsTracer.ajc$before$ArgsTracer$1$66cd2654:(LHelloWorld; [Ljava/lang/String;)V + 18: aload_2 + 19: aload_1 + 20: invokevirtual #35; //Method run:([Ljava/lang/String;)V + 23: return } vendredi 8 février 13
65. vendredi 8 février 13
66. vendredi 8 février 13
67. 66 AspectJ est puissant et expressif AspectJ est pratique pour des modifications statiques AspectJ est à utiliser avec modération ↪ Spring Roo vendredi 8 février 13
68. 67 vendredi 8 février 13
69. 68 Règles dynamiques ! tests : injection de fautes traces d’exécution suivi de ressources (...) vendredi 8 février 13
70. 69 Event Condition Action “100+ instances ?” “Jetter une exception !” new java.io.FileInputStream(...); vendredi 8 février 13
71. 70 Byteman agent rule1.btm rule2.btm rule3.btm JVM void redefineClasses(ClassDefinition... definitions) throws ClassNotFoundException, UnmodifiableClassException classes bmsubmit bminstall java -javagent:lib/byteman.jar=... vendredi 8 février 13
72. 71 RULE calling print in HelloWorld CLASS HelloWorld METHOD print(String) IF true DO traceln("calling print() with str = " + $1) ENDRULE vendredi 8 février 13
73. 72 java.lang.String ^java.lang.Object ^java.util.List java.util.List Types CLASS INTERFACE CLASS INTERFACE vendredi 8 février 13
74. 73 AT ENTRY EXIT THROW (count) AT, AFTER INVOKE <method> (count) SYNCHRONIZE (count) AT, AFTER LINE <number> READ <field> (count) READ $<var> (count) WRITE <field> (count) WRITE $<var> (count) Spécifier une cible vendredi 8 février 13
75. 74 debug(msg) traceln(msg) traceOpen(id, filename) traceln(id, msg) traceClose(id) traceStack() traceStack(id) killThread() killJVM() killJVM(code) Waiters Rendez-vous Joiners Countdowns Flags Counters Timers Helpers actions + conditions + les vôtres vendredi 8 février 13
76. 75 (demo) * * en cas de plantage, ne jettez pas de tomates, merci. vendredi 8 février 13
77. vendredi 8 février 13
78. foo.txt BlobStore.java LICENSE COPYING (...) work/index work/e6a92ec2fe5fba022c31c32c97ea455cee4b2736 work/a9a1282b23431aab89c9a4647fd88569eb9a389d work/6a55a0ac5df9e1edce33995a8ac59f17a04a64c9 vendredi 8 février 13
79. 78 maximum testable humainement ≃ vendredi 8 février 13
80. File.renameTo() File.renameTo() Lecture flux + File.exists() + File.delete() Lecture flux + File.exists() + File.delete() Lecture flux + corruption GZIP Lecture flux + corruption GZIP 79 Difficile à reproduire ... vendredi 8 février 13
81. 80 @RunWith(BMUnitRunner.class) public class BlobStoreTest { ... } vendredi 8 février 13
82. 81 @BMScript(value = "create_but_fail_to_mkdir", dir = BYTEMAN_SCRIPTS) @Test(expected = BlobStoreException.class) public void create_but_fail_to_mkdir() throws IOException { new BlobStore(new File(temporaryFolder.getRoot(), "missing")); } RULE inject a fault into BlobStore to fail on mkdirs() CLASS blob.store.BlobStore METHOD ensureValidWorkingDirectory(File) AFTER INVOKE java.io.File.mkdirs() IF true DO $! = false ENDRULE vendredi 8 février 13
83. RULE create a countdown when entering BlobStore#rewriteIndex() CLASS blob.store.BlobStore METHOD rewriteIndex AT ENTRY IF true DO createCountDown("KillIndex", 1) ENDRULE RULE inject a fault into BlobStore#rewriteIndex() to fail appending to the index CLASS com.google.common.io.Files METHOD append AT ENTRY IF countDown("KillIndex") DO throw new java.io.IOException("Simulating a I/O error") ENDRULE private void rewriteIndex() { if (!indexFile.delete()) { throw new BlobStoreException("Could not delete " + indexFile); } try { for (String key : index.keySet()) { append(indexLineFor(key, index.get(key)), indexFile, UTF_8); } } catch (IOException e) { throw new BlobStoreException(e); } } #fail à la 2ème itération vendredi 8 février 13
84. 83 versus vendredi 8 février 13
85. Méconnu Magique Simple Utile ! 84 vendredi 8 février 13
86. 85 JooFlux vendredi 8 février 13
87. 86 (demo) * * en cas de plantage, ne jettez pas de tomates, merci. vendredi 8 février 13
88. Pas de langage d’aspects Pas de pré/post compilation Un agent Java JVM non-modifiée JooFlux Dév appli Runtime vendredi 8 février 13
89. invokedynamic 101 vendredi 8 février 13
90. invokestatic public static int add(int a, int b) invokevirtual public int add(int a, int b) invokeinterface int add(int a, int b) invokespecial private int add(int a, int b) vendredi 8 février 13
91. public Object call(Object receiver, Object[] args) throws Throwable { return CallSiteArray.defaultCall(this, receiver, args); } public Object call(Object receiver) throws Throwable { return call(receiver, CallSiteArray.NOPARAM); } public Object call(Object receiver, Object arg1) throws Throwable { return call(receiver, ArrayUtil.createArray(arg1)); } public Object call(Object receiver, Object arg1, Object arg2) throws Throwable { return call(receiver, ArrayUtil.createArray(arg1, arg2)); } public Object call(Object receiver, Object arg1, Object arg2, Object arg3) throws Throwable { return call(receiver, ArrayUtil.createArray(arg1, arg2, arg3)); } public Object call(Object receiver, Object arg1, Object arg2, Object arg3, Object arg4) throws Throwable { return call(receiver, ArrayUtil.createArray(arg1, arg2, arg3, arg4)); } “Tous les chemins mènent à Rome” vendredi 8 février 13
92. public static Object invoke(Object object, String methodName, Object[] parameters) { try { Class[] classTypes = new Class[parameters.length]; for (int i = 0; i < classTypes.length; i++) { classTypes[i] = parameters[i].getClass(); } Method method = object.getClass().getMethod(methodName, classTypes); return method.invoke(object, parameters); } catch (Throwable t) { return InvokerHelper.invokeMethod(object, methodName, parameters); } } Difficile pour le JIT ! CallSites génériques Réflexivité vendredi 8 février 13
93. invokedynamic nom symbolique + signature + bootstrap CallSite Constant Mutable Volatile MethodHandle direct ou combinateurs branchements adaptation filtres (...) 7 vendredi 8 février 13
94. vendredi 8 février 13
95. Implémentation vendredi 8 février 13
96. 1 2 3 4 Chargement des classes Interception Management Runtime vendredi 8 février 13
97. (...) ldc #3 ldc #5 invokedynamic foo (II)I bootstraper (...) Call site JMX agent JooFlux bootstraper Modified bytecode Registry Target method combinators Load time action Run time action Original bytecode JVM agent 1 2 3 4 vendredi 8 février 13
98. Réécriture de bytecode ASM + Agent Bootstrap JooFlux Casse la vérification de bytecode ! 1 vendredi 8 février 13
99. sémantique champ volatile impact mesuré négligeable VolatileCallSite 2 vendredi 8 février 13
100. invokestatic invokespecial Method handle direct invokevirtual invokeinterface Method handle sur le premier receveur 3 vendredi 8 février 13
101. invokeinterface Polymorphic inline-cache guardWithTest(Class1, obj) guardWithTest(Class2, obj) fallback(callsite, args[]) Class1#foo(II)I Class2#foo(II)I obj.foo(1, 2) 3 vendredi 8 février 13
102. 4 public interface JooFluxManagementMXBean { public String getName(); public int getNumberOfRegisteredCallSites(); public Set<String> getRegisteredCallSiteKeys(); public String getCallSiteType(String target); public void changeCallSiteTarget(String methodType, String oldTarget, String newTarget); public void applyBeforeAspect(String callSitesKey, String aspectClass, String aspectMethod); public void applyAfterAspect(String callSitesKey, String aspectClass, String aspectMethod); } vendredi 8 février 13
103. (...) ldc #3 ldc #5 invokedynamic foo (II)I bootstraper (...) Call site JMX agent JooFlux bootstraper Modified bytecode Registry Target method combinators Load time action Run time action Original bytecode JVM agent 4 Registre : 0 impact perfs Enregistré à la 1ère interception Modification via API vendredi 8 février 13
104. Évaluation vendredi 8 février 13
105. Interception / redirection de méthode Injection d’aspect ‘vide’ Langages dynamiques Plates-formes AOP Micro Fibonacci(40) Macro SCImark Fork/Join Clojure Benchmarks X V V V vendredi 8 février 13
106. 0 2 4 6 8 Byteman Jooflux Avant Après Avant + Après Injection d’aspect ‘vide’ x 137 x 134 x 306 x 6 x 2 x 5 Microbench vendredi 8 février 13
107. Interception/redirection méthode 0 5 10 15 Clojure JRuby Groovy Rhino JS Jython Java+JooFlux Min Max x 1 x 48 x 18 x 15 x 2,2 x 10 x 3 x 6 x 1,2 x 2 Microbench vendredi 8 février 13
108. Interception/redirection méthode 0,9 1 1,1 SCIMark Fork/Join Clojure Min Max x 0,99 x 0,97 x 1,04 x 0,93 x 1,01 x 1,01 Macrobench vendredi 8 février 13
109. Conclusion vendredi 8 février 13
110. JVM généraliste Interception à grain fin Résultats initiaux encourageants Approche nouvelle, générique, sans langage dédié Bilan vendredi 8 février 13
111. Injection atomique multi-aspects Rollback / versioning Vérification formelle pré-injection Aspects contextuels / Internet of Things Contrôle de ressources avec isolation adaptative Perspectives vendredi 8 février 13
112. 111 https://github.com/dynamid/jooflux Questions / réponses Julien Ponge Frédéric Le Mouël http://dynamid.citi-lab.fr/ vendredi 8 février 13