一、原理分析

（一）介紹

JPDA(Java Platform Debugger Architecture) 是 Java 平臺調(diào)試體系結(jié)構(gòu)的縮寫，通過 JPDA 提供的 API，開發(fā)人員可以方便靈活的搭建 Java 調(diào)試應(yīng)用程序。

JPDA 主要由三個部分組成：Java 虛擬機(jī)工具接口（JVMTI），Java 調(diào)試線協(xié)議（JDWP），以及 Java 調(diào)試接口（JDI）。

Java 程序都是運行在 Java 虛擬機(jī)上的，我們要調(diào)試 Java 程序，事實上就需要向 Java 虛擬機(jī)請求當(dāng)前運行態(tài)的狀態(tài)，并對虛擬機(jī)發(fā)出一定的指令，設(shè)置一些回調(diào)等等，那么 Java 的調(diào)試體系，就是虛擬機(jī)的一整套用于調(diào)試的工具和接口。

（二）IDEA和eclipse 調(diào)試原理為

1：編輯器作為客戶端和服務(wù)器程序通過暴露的監(jiān)聽端口建立socket連接

2：IDE客戶端將斷點位置創(chuàng)建了斷點事件通過 JDI 接口傳給了 服務(wù)端（程序端）的 VM，VM 調(diào)用 suspend 將 VM 掛起

3：VM 掛起之后將客戶端需要獲取的 VM 信息返回給客戶端，返回之后 VM resume 恢復(fù)其運行狀態(tài)

4：客戶端獲取到 VM 返回的信息之后可以通過不同的方式進(jìn)行展示

（三）架構(gòu)體系

JPDA 定義了一個完整獨立的體系，它由三個相對獨立的層次共同組成，而且規(guī)定了它們?nèi)咧g的交互方式，或者說定義了它們通信的接口。

這三個層次由低到高分別是 Java 虛擬機(jī)工具接口（JVMTI），Java 調(diào)試線協(xié)議（JDWP）以及 Java 調(diào)試接口（JDI）。

這三個模塊把調(diào)試過程分解成幾個很自然的概念：調(diào)試者（debugger）和被調(diào)試者（debuggee），以及他們中間的通信器。

被調(diào)試者運行于我們想調(diào)試的 Java 虛擬機(jī)之上，它可以通過 JVMTI 這個標(biāo)準(zhǔn)接口，監(jiān)控當(dāng)前虛擬機(jī)的信息；調(diào)試者定義了用戶可使用的調(diào)試接口，通過這些接口，用戶可以對被調(diào)試虛擬機(jī)發(fā)送調(diào)試命令，同時調(diào)試者接受并顯示調(diào)試結(jié)果。

在調(diào)試者和被調(diào)試著之間，調(diào)試命令和調(diào)試結(jié)果，都是通過 JDWP 的通訊協(xié)議傳輸?shù)?。所有的命令被封裝成 JDWP 命令包，通過傳輸層發(fā)送給被調(diào)試者，被調(diào)試者接收到 JDWP 命令包后，解析這個命令并轉(zhuǎn)化為 JVMTI 的調(diào)用，在被調(diào)試者上運行。

類似的，JVMTI 的運行結(jié)果，被格式化成 JDWP 數(shù)據(jù)包，發(fā)送給調(diào)試者并返回給 JDI 調(diào)用。而調(diào)試器開發(fā)人員就是通過 JDI 得到數(shù)據(jù)，發(fā)出指令。

如上圖所示JPDA 由三層組成：

• JVM TI - Java VM 工具接口。定義 VM 提供的調(diào)試服務(wù)。
• JDWP - Java 調(diào)試通信協(xié)議。定義被調(diào)試者和調(diào)試器進(jìn)程之間的通信。
• JDI - Java 調(diào)試接口。定義一個高級 Java 語言接口，工具開發(fā)人員可以輕松地使用它來編寫遠(yuǎn)程調(diào)試器應(yīng)用程序。

通過 JPDA 這套接口，我們就可以開發(fā)自己的調(diào)試工具。通過這些 JPDA 提供的接口和協(xié)議，調(diào)試器開發(fā)人員就能根據(jù)特定開發(fā)者的需求，擴(kuò)展定制 Java 調(diào)試應(yīng)用程序。

前面我們提到的 IDE 調(diào)試工具都是基于 JPDA 體系開發(fā)的，區(qū)別僅僅在于它們可能提供了不同的圖形界面、具有一些不同的自定義功能。

另外，我們要注意的是，JPDA 是一套標(biāo)準(zhǔn)，任何的 JDK 實現(xiàn)都必須完成這個標(biāo)準(zhǔn)，因此，通過 JPDA 開發(fā)出來的調(diào)試工具先天具有跨平臺、不依賴虛擬機(jī)實現(xiàn)、JDK 版本無關(guān)等移植優(yōu)點，因此大部分的調(diào)試工具都是基于這個體系的。

二、遠(yuǎn)程調(diào)試實例

【1】構(gòu)建一個SpringBoot的WEB項目。當(dāng)前所選擇的SpringBoot版本是2.3.0.RELEASE。對應(yīng)的tomcat版本是9.X。

【2】打包該SpringBoot項目，開發(fā)應(yīng)用程序端口為9999。將該程序部署到Linux服務(wù)器上，可以是JAR包方式也可以Docker的方式，遠(yuǎn)程調(diào)試和這個沒有關(guān)系。

【3】部署程序的代碼參考如下，就是一個簡單的請求處理打印輸出信息

/** 
 *   測試程序
 * @author zhangyu
 * @date 2022/2/17
*/
@SpringBootApplication
@RestController
public class DebuggerApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DebuggerApplication.class, args);
    }

    @GetMapping("/test")
    public  String test(){
        System.out.println(111);
        System.out.println(222);
        return "OK";
    }

}

【4】部署程序啟動參數(shù)如下

java -Xdebug -Xrunjdwp:transport=dt_socket,server=y,suspend=n,address=8888 -jar debugger-0.0.1-SNAPSHOT.jar

其中address=8888表示開啟8888端口作為遠(yuǎn)程調(diào)試的Socket通信端口

如果是部署在tomcat下的普通web項目，參考如下：

小于 tomcat9 版本

tomcat 中 bin/catalina.sh 中增加 CATALINA_OPTS=‘-server -Xdebug -Xnoagent -Djava.compiler=NONE -Xrunjdwp:transport=dt_socket,server=y,suspend=n,address=18006’

如下圖所示：

大于等于 tomcat9 版本

tomcat 中 bin/catalina.sh 中的 JPDA_ADDRESS=“localhost:8000” 這一句中的localhost修改為0.0.0.0（允許所有ip連接到8000端口，而不僅是本地）8000是端口，端口號可以任意修改成沒有占用的即可

如下圖所示：

【5】測試部署的程序正常后，下面構(gòu)建客戶端遠(yuǎn)程調(diào)試，當(dāng)前以IDEA工具作為客戶端

參考：

【1】-agentlib:jdwp=transport=dt_socket,server=y,suspend=n,address=8888

【2】Host：遠(yuǎn)程服務(wù)器地址

【3】Port：遠(yuǎn)程服務(wù)器開放的調(diào)試通信端口，非應(yīng)用端口

測試接口：http://XXX:9999/test。注意本地代碼需要和遠(yuǎn)程部署程序一致。

通過上圖可以看到客戶端設(shè)置斷點已經(jīng)生效，其中在客戶端執(zhí)行了一個調(diào)試輸出，這個是自定義輸出的內(nèi)容服務(wù)器程序并沒有，在執(zhí)行后右側(cè)的服務(wù)器控制臺日志輸出了該信息，因此遠(yuǎn)程Debug是正常通信和處理的。

（一）調(diào)試參數(shù)詳解

• -Xdebug：啟用調(diào)試特性
• -Xrunjdwp：在目標(biāo) VM 中加載 JDWP 實現(xiàn)。它通過傳輸和 JDWP 協(xié)議與獨立的調(diào)試器應(yīng)用程序通信。下面介紹一些特定的子選項

從 Java V5 開始，您可以使用 -agentlib:jdwp 選項，而不是 -Xdebug 和 -Xrunjdwp。但如果連接到 V5 以前的 VM，只能選擇 -Xdebug 和 -Xrunjdwp。下面簡單描述 -Xrunjdwp 子選項。

• -Djava.compiler=NONE： 禁止 JIT 編譯器的加載
• transport ： 傳輸方式，有 socket 和 shared memory 兩種，我們通常使用 socket（套接字）傳輸，但是在 Windows 平臺上也可以使用shared memory（共享內(nèi)存）傳輸。
• server（y/n）： VM 是否需要作為調(diào)試服務(wù)器執(zhí)行
• address： 調(diào)試服務(wù)器的端口號，客戶端用來連接服務(wù)器的端口號
• suspend（y/n）：值是 y 或者 n，若為 y，啟動時候自己程序的 VM 將會暫停（掛起），直到客戶端進(jìn)行連接，若為 n，自己程序的 VM 不會掛起

三、JDI工具代碼實踐

（一）JDI技術(shù)架構(gòu)

（二）實踐案例

（1）被調(diào)試程序

創(chuàng)建一個SpringBoot的WEB項目，提供一個簡單的測試接口，并在測試方法中提供一些方法參數(shù)變量和局部變量作為后面的調(diào)試測試用。

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@SpringBootApplication
@RestController
public class DebuggerApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DebuggerApplication.class, args);
    }

    @GetMapping("/test")
    public  String test(String name){
        System.out.println("進(jìn)入方法");
        int var=100;
        System.out.println(name);
        System.out.println(var);
        System.out.println("方法結(jié)束");
        return "OK";
    }
}

項目啟動配置參考，需要啟用Debug配置

（2）自定義調(diào)試器代碼

開發(fā)調(diào)試器需要JNI工具支持，JDI操作的API工具在tools.jar中 ，需要在 CLASSPATH 中添加/lib/tools.jar

import com.sun.jdi.*;
import com.sun.jdi.connect.AttachingConnector;
import com.sun.jdi.connect.Connector;
import com.sun.jdi.event.*;
import com.sun.jdi.request.BreakpointRequest;
import com.sun.jdi.request.EventRequest;
import com.sun.jdi.request.EventRequestManager;
import com.sun.tools.jdi.SocketAttachingConnector;

import java.util.List;
import java.util.Map;

/**
 *  通過JNI工具測試Debug
 * @author zhangyu
 * @date 2022/2/20
*/
public class TestDebugVirtualMachine {


    private static VirtualMachine vm;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //獲取SocketAttachingConnector,連接其它JVM稱之為附加(attach)操作
        VirtualMachineManager vmm = Bootstrap.virtualMachineManager();
        List<AttachingConnector> connectors = vmm.attachingConnectors();
        SocketAttachingConnector sac = null;
        for(AttachingConnector ac : connectors) {
            if(ac instanceof SocketAttachingConnector) {
                sac = (SocketAttachingConnector) ac;
            }
        }
        assert sac != null;
        //設(shè)置好主機(jī)地址，端口信息
        Map<String, Connector.Argument> arguments = sac.defaultArguments();
        Connector.Argument hostArg = arguments.get("hostname");
        Connector.Argument portArg = arguments.get("port");
        hostArg.setValue("127.0.0.1");
        portArg.setValue(String.valueOf(8800));
        //進(jìn)行連接
         vm = sac.attach(arguments);
        //相應(yīng)的請求調(diào)用通過requestManager來完成
        EventRequestManager eventRequestManager = vm.eventRequestManager();
        //創(chuàng)建一個代碼判斷，因此需要獲取相應(yīng)的類，以及具體的斷點位置，即相應(yīng)的代碼行。
        ClassType clazz = (ClassType) vm.classesByName("com.zy.debugger.DebuggerApplication").get(0);
        //設(shè)置斷點代碼位置
        Location location = clazz.locationsOfLine(22).get(0);
        //創(chuàng)建新斷點并設(shè)置阻塞模式為線程阻塞，即只有當(dāng)前線程被阻塞
        BreakpointRequest breakpointRequest = eventRequestManager.createBreakpointRequest(location);
        //設(shè)置阻塞并啟動
        breakpointRequest.setSuspendPolicy(EventRequest.SUSPEND_EVENT_THREAD);
        breakpointRequest.enable();
        //獲取vm的事件隊列
        EventQueue eventQueue = vm.eventQueue();
        while(true) {
            //不斷地讀取事件并處理斷點記錄事件
            EventSet eventSet = eventQueue.remove();
            EventIterator eventIterator = eventSet.eventIterator();
            while(eventIterator.hasNext()) {
                Event event = eventIterator.next();
                execute(event);
            }
            //將相應(yīng)線程resume，表示繼續(xù)運行
            eventSet.resume();
        }
    }

    /**
     *  處理監(jiān)聽到事件
     * @author zhangyu
     * @date 2022/2/20
    */
    public static void execute(Event event) throws Exception {
        //獲取的event為一個抽象的事件記錄，可以通過類型判斷轉(zhuǎn)型為具體的事件，這里我們轉(zhuǎn)型為BreakpointEvent，即斷點記錄，
        BreakpointEvent breakpointEvent = (BreakpointEvent) event;
        //并通過斷點處的線程拿到線程幀，進(jìn)而獲取相應(yīng)的變量信息，并打印記錄。
        ThreadReference threadReference = breakpointEvent.thread();
        StackFrame stackFrame = threadReference.frame(0);
        List<LocalVariable> localVariables = stackFrame.visibleVariables();
        //輸出當(dāng)前線程棧幀保存的變量數(shù)據(jù)
        localVariables.forEach(t -> {
            Value value = stackFrame.getValue(t);
            System.out.println("local->" + value.type() + "," + value.getClass() + "," + value);
        });
    }

}

（3）代碼分析

【1】通過Bootstrap.virtualMachineManager();獲取連接器，客戶端即通過相應(yīng)的connector進(jìn)行連接，配置服務(wù)器程序ip地址和端口，連接后獲取對應(yīng)服務(wù)器的VM信息。

【2】通過VirtualMachine獲取類信息，通過遍歷獲取的類集合定位到目標(biāo)debug的類文件上

【3】對目標(biāo)類代碼特定位置設(shè)置并啟用斷點

【4】記錄斷點信息，阻塞服務(wù)器線程，并根據(jù)對應(yīng)事件獲取相應(yīng)的信息

【5】執(zhí)行event.resume釋放斷點，服務(wù)器程序繼續(xù)運行

（4）運行測試

【1】啟動服務(wù)器程序，即上面的SpringBoot的web項目。本地以debug方式啟動調(diào)試器代碼，待會在這個位置看看獲取的信息，同時避免直接釋放了斷點。

【2】設(shè)置斷點位置為DebuggerApplication類的第22行

【3】啟動后測試該接口，可以發(fā)現(xiàn)服務(wù)器程序控制臺打印了如下結(jié)果。第22行還沒有執(zhí)行。

【4】此時，在觀察調(diào)試器程序?？梢钥吹将@取到了服務(wù)器程序棧幀的數(shù)據(jù)

【5】釋放斷點，服務(wù)器正常運行完本次請求處理流程

總結(jié)

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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