一起单测引起的项目加载失败惨案

作者：京东科技 宋慧超

一、前言

最近在开发一个功能模块时，在功能自测阶段，通过使用单测测试功能的完整性，在测试单测联通性使用到静态方法测试时，发现单测报错，通过查阅解决方案发现需要对Javaassist包进行排包或者升版本处理。通过排包解决掉单测报错，在部署项目时发现频繁报bean注入失败问题，最终定位发现是因为对Javaassist包排包引起的bean加载失败。故而对Javaassist包相关知识进行学习整理文章如下。

单测相关报错信息如下：

Powermock - java.lang.IllegalStateException: Failed to transform class

解决单测报错的文章链接：

https://stackoverflow.com/questions/32854688/powermock-java-lang-illegalstateexception-failed-to-transform-class

二、问题复现

1、前期准备

首先使用了Spring框架新建一个demo，并写一个简单测试类对问题进行复现。

UserService的定义：

public interface UserService {
    void save(User user);
}

UserServiceImpl的实现代码：

@Service
public class UserServiceImpl implements UserService {
    private UserDao userDao;

    @Autowired
    public UserServiceImpl(UserDao userDao) {
        this.userDao = userDao;
    }

    @Override
    public void save(User user) {
        userDao.save(user);
    }
}

这里我们使用了Spring框架的@Service和@Autowired注解，以便让Spring框架自动装配UserDao实例。

但是，在我们的POM文件中，虽然我们添加了对Spring框架的依赖，但是并没有添加Javaassist库的依赖。而UserServiceImpl中确实使用了Javaassist库来进行字节码操作， UserServiceImpl的具体实现代码：

public class UserServiceImpl implements UserService {
    // ...
    private static final String USER_CLASS_NAME = "com.example.User";

    private static final Class<?> USER_CLASS;

    static {
        try {
            USER_CLASS = Class.forName(USER_CLASS_NAME);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public void save(User user) {
        try {
            // 创建一个ClassPool对象
            ClassPool cp = ClassPool.getDefault();

            // 从ClassPool中获取一个CtClass对象
            CtClass ctClass = cp.get(USER_CLASS_NAME);

            // 获取无参构造器
            CtConstructor ctConstructor = ctClass.getDeclaredConstructor(new CtClass[]{});

            // 获取save方法
            CtMethod saveMethod = ctClass.getDeclaredMethod("save");

            // 生成代码
            saveMethod.insertBefore("{System.out.println(\"插入代码前\");}");
            saveMethod.insertAfter("{System.out.println(\"插入代码后\");}");

            // 生成新的字节码并装载到内存
            Class<?> targetClass = ctClass.toClass();
            Object instance = targetClass.newInstance();

            // 调用save方法
            Method method = targetClass.getMethod("save", USER_CLASS);
            method.invoke(instance, user);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

在这段代码中，我们通过Javaassist库生成了一个新的字节码，并使用反射机制将其实例化，并在调用save()方法前后插入了一些代码。但是，由于Javaassist库缺失，导致项目在启动过程中无法正确加载UserServiceImpl的实例，从而出现了下述错误信息。

2、报错信息

在部署程序时发现，应用无法正常启动，并出现如下错误信息：

org.springframework.beans.factory.BeanCreationException: Error creating bean with name 'userService' defined in file [C:\workspace\project\target\classes\com\example\UserServiceImpl.class]: Instantiation of bean failed; nested exception is org.springframework.beans.BeanInstantiationException: Failed to instantiate [com.example.UserService]: No default constructor found; nested exception is java.lang.NoSuchMethodException: com.example.UserService.<init>()

从错误信息中我们可以看到，应用在创建UserService的实例时遇到了问题，无法实例化成功。

3、解决方案

为了修复这个问题，我们需要在POM文件中加入对Javaassist库的依赖：

<dependency>
    <groupId>org.javassist</groupId>
    <artifactId>javassist</artifactId>
    <version>3.27.0-GA</version>
</dependency>

添加依赖后，重新编译并部署应用程序即可正常运行。

三、Javaassist包

1、什么是Javaassist？

Javaassist 是由东京工业大学数学和计算机科学系的 Shigeru Chiba （千叶滋）教授创造的。Javaassist 作为实现动态字节码生成的一个开源类库，极大地简化了 Java 开发者对底层字节码操作的难度，让开发者能够更加轻松地在运行时动态生成类、修改类文件来达到轻量级 AOP、ORM、基于代理的远程方法调用等功能。

(Javaassist已加入了开放源代码JBoss 应用服务器项目,通过使用Javaassist对字节码操作为JBoss实现动态AOP框架。)

2、什么是动态编程？

动态编程是相对于静态编程而言的,平时我们讨论比较多的就是静态编程语言，例如Java，与动态编程语言，例如JavaScript。那二者有什么明显的区别呢？简单的说就是在静态编程中，类型检查是在编译时完成的，而动态编程中类型检查是在运行时完成的。所谓动态编程就是绕过编译过程在运行时进行操作的技术，在Java中有如下几种方式：

?反射

这个搞Java的应该比较熟悉，原理也就是通过在运行时获得类型信息然后做相应的操作。由于Java执行过程中是将类型载入虚拟机中的，在运行时我们就可以动态获取到所有类型的信息。只能获取却不能修改类型信息。

?动态编译

动态编译是从Java 6开始支持的，主要是通过一个JavaCompiler接口来完成的。通过这种方式我们可以直接编译一个已经存在的java文件，也可以在内存中动态生成Java代码，动态编译执行。

?调用JavaScript引擎

早在Java 6就加入了对Script(JSR223)的支持。这是一个脚本框架，提供了让脚本语言来访问Java内部的方法。你可以在运行的时候找到脚本引擎，然后调用这个引擎去执行脚本。这个脚本API允许你为脚本语言提供Java支持。

?动态生成字节码

这种技术通过操作Java字节码的方式在JVM中生成新类或者对已经加载的类动态添加元素。

3、动态编程解决什么问题？

在静态语言中引入动态特性，主要是为了解决一些使用场景的痛点。其实完全使用静态编程也办的到，只是付出的代价比较高，没有动态编程来的优雅。例如依赖注入框架Spring使用了反射，而Dagger2 却使用了代码生成的方式（APT）。

例如：

a： 在那些依赖关系需要动态确认的场景: b： 需要在运行时动态插入代码的场景，比如动态代理的实现。 c： 通过配置文件来实现相关功能的场景

4、Javassit使用方法

javassist是jboss的一个子项目，其主要的优点，在于简单，而且快速。直接使用java编码的形式，而不需要了解虚拟机指令，就能动态改变类的结构，或者动态生成类。

操作java字节码的工具有两个比较流行，一个是ASM，一个是Javassit 。

?ASM ：直接操作字节码指令，执行效率高，要求使用者掌握Java类字节码文件格式及指令，对使用者的要求比较高。

?Javassit 提供了更高级的API，执行效率相对较差，但无需掌握字节码指令的知识，对使用者要求较低。

应用层面来讲一般使用建议优先选择Javassit，如果后续发现Javassit 成为了整个应用的效率瓶颈的话可以再考虑ASM。当然如果开发的是一个基础类库，或者基础平台，还是直接使用ASM吧，相信从事这方面工作的开发者能力应该比较高。

Javassist中最为重要的是ClassPool，CtClass ，CtMethod 以及 CtField这几个类。

?ClassPool：一个基于HashMap实现的CtClass对象容器，其中键是类名称，值是表示该类的CtClass对象。默认的ClassPool使用与底层JVM相同的类路径，因此在某些情况下，可能需要向ClassPool添加类路径或类字节。

? getDefault (): 返回默认的ClassPool ，单例模式，一般通过该方法创建我们的ClassPool；

? appendClassPath(ClassPath cp), insertClassPath(ClassPath cp) : 将一个ClassPath加到类搜索路径的末尾位置或插入到起始位置。通常通过该方法写入额外的类搜索路径，以解决多个类加载器环境中找不到类问题；

? importPackage(String packageName):导入包；

? makeClass(String classname):创建一个空类，没有变量和方法，后序通过CtClass的函数进行添加；

? get(String classname)、getCtClass(String classname) : 根据类路径名获取该类的CtClass对象，用于后续的编辑。

?CtClass：表示一个类，这些CtClass对象可以从ClassPool获得。

?debugDump; String类型，如果生成.class文件，保存在这个目录下。

?setName(String name): 给类重命名;

?setSuperclass(CtClass clazz): 设置父类;

?addField(CtField f, Initializer init): 添加字段（属性），初始值见CtField；

?addMethod(CtMethod m): 添加方法（函数）；

?toBytecode(): 返回修改后的字节码。需要注意的是一旦调用该方法，则无法继续修改CtClass；

?toClass(): 将修改后的CtClass加载至当前线程的上下文类加载器中，CtClass的toClass方法是通过调用本方法实现。需要注意的是一旦调用该方法，则无法继续修改已经被加载的CtClass；

?writeFile(String directoryName): 根据CtClass生成 .class 文件；

?defrost(): 解冻类，用于使用了toclass()、toBytecode、writeFile()，类已经被JVM加载，Javassist冻结CtClass后；

?detach(): 避免内存溢出，从ClassPool中移除一些不需要的CtClass。

?CtMethods：表示类中的方法。

?insertBefore(String src):在方法的起始位置插入代码；

?insertAfter(String src):在方法的所有 return 语句前插入代码以确保语句能够被执行，除非遇到exception；

?insertAt(int lineNum, String src):在指定的位置插入代码；

?addCatch(String src, CtClass exceptionType):将方法内语句作为try的代码块，插入catch代码块src;

?setBody(String src):将方法的内容设置为要写入的代码，当方法被 abstract修饰时，该修饰符被移除；

?setModifiers(int mod):设置访问级别，一般使用Modifier调用常量;

?invoke(Object obj, Object... args):反射调用字节码生成类的方法。

?CtFields ：表示类中的字段。

?CtField(CtClass type, String name, CtClass declaring) :构造函数，添加字段类型，名称，所属的类;

?CtField.Initializer constant():CtClass使用addField时初始值的设置;

?setModifiers(int mod):设置访问级别，一般使用Modifier调用常量。

?$开头的特殊字符

符号	具体含义
$0, $1, $2, … | $0=this,$1表示方法的第一个参数，依次类推，如果方法是静态的，则 $0 不可用
\(args | 方法参数数组.它的类型为 Object\[\]，\)args[0]=1 , 1,1,args[1]=$2
$r	返回结果的类型，用于强制类型转换
$w	包装器类型，用于强制类型转换，当返回值是包装类型时，可以用此来强转
$_	返回值，一般在insertAfter中用到，用于得到原方法的返回值
\(slg | 参数类型数组，\)sig[0]表示第一个参数类型
\(type | 返回值类型，一般在insertAfter中用到，即\)_的类型
$class | $0或this的类型
$e	异常类型

5、常用的Java插桩工具有哪些？

Java 插桩工具是一种能够修改 Java 字节码的工具，通过在应用程序运行时动态修改字节码来实现对程序的监控、跟踪、调试和优化等功能。

工具	字节码抽象级别	具体描述
ASM、BCEL	低级	库需要直接在字节码级别上进行操作。通常，它们提供大多数功能丰富的功能，但与其他字节码操作工具相比，它们的使用也最复杂。
Javaassist	中级	库提供了字节码的某种抽象级别，并简化了其修改。例如，代替修改字节码，可以使用类似于Java的语法进行更改，然后将其编译为字节码，然后由使用的库修改为原始字节码。通常，它们缺少修改后的代码验证的功能-这意味着，错误可能在修改准备过程中被忽略，然后在运行时被发现。
AspectJ、CGLib	高级	库使用高级指令进行操作，并且通常配备有用于语法验证的工具集。不幸的是，从修改后的字节码进行的最高抽象化通常会导致某些功能的丧失，这些功能仅在直接修改字节码时可用。

四、总结

本文通过对由于Javaassist包缺失导致项目启动过程中bean加载失败的问题进行复现，并通过demo进行实例分析，解释了因为缺失Javaassist库导致的应用程序启动失败问题。并对Javaassist包相关知识进行介绍，后续会继续对Javaassist相关知识进行学习补充。

建议大家在构建Maven项目时，仔细检查POM文件中的依赖，确保没有漏掉任何必要的库，以免因为遗漏而引起不必要的问题。