一、JVMTI Agent技术概述

JVMTI（Java Virtual Machine Tool Interface）是Java虚拟机提供的原生编程接口，允许开发者通过动态库（Windows下为DLL）与JVM交互，实现性能监控、内存分析、方法拦截等高级功能。相较于Java Agent，JVMTI Agent可直接操作JVM底层数据结构，性能损耗更低，但开发复杂度更高。

典型应用场景包括：

实时监控GC行为与内存分配
动态修改类字节码（需配合其他工具）
采集方法调用链与执行耗时
诊断线程阻塞与死锁问题

Windows平台开发需特别注意：

32/64位JVM需对应匹配的DLL架构
调试符号（PDB）与异常处理机制差异
动态加载时的路径解析规则

二、开发环境准备

1. 工具链配置

JDK版本要求：建议使用JDK 8/11/17 LTS版本，需包含jvmti.h头文件（位于include和include/win32目录）
编译器选择：Visual Studio 2019/2022（社区版免费），安装时勾选”使用C++的桌面开发”
依赖管理：确保JAVA_HOME环境变量指向JDK安装目录

2. 项目结构创建

推荐目录结构：

jvmti_agent_project/
├── include/           # 头文件
│   └── agent_impl.h
├── src/               # 源码
│   └── agent_impl.c
├── build/             # 编译输出
└── CMakeLists.txt     # 构建脚本（可选）

三、核心代码实现

1. 基础框架搭建

#include <jvmti.h>
#include <stdio.h>
#define AGENT_EXPORT __declspec(dllexport)
// 初始化回调函数
JNIEXPORT void JNICALL 
Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *options, void *reserved) {
    jvmtiEnv *jvmti = NULL;
    jvmtiCapabilities caps;
    jvmtiError err;
    // 获取JVMTI环境
    err = (*vm)->GetEnv(vm, (void**)&jvmti, JVMTI_VERSION_1_0);
    if (err != JVMTI_ERROR_NONE) {
        printf("GetEnv failed with error %d\n", err);
        return;
    }
    // 添加所需能力
    memset(&caps, 0, sizeof(jvmtiCapabilities));
    caps.can_tag_objects = 1;
    caps.can_generate_method_entry_events = 1;
    err = (*jvmti)->AddCapabilities(jvmti, &caps);
    // 注册事件回调（示例：方法进入事件）
    jvmtiEventCallbacks callbacks;
    memset(&callbacks, 0, sizeof(jvmtiEventCallbacks));
    callbacks.MethodEntry = &MethodEntryCallback;
    (*jvmti)->SetEventCallbacks(jvmti, &callbacks, sizeof(jvmtiEventCallbacks));
    (*jvmti)->SetEventNotificationMode(jvmti, JVMTI_ENABLE, JVMTI_EVENT_METHOD_ENTRY, NULL);
}
// 方法进入回调示例
void JNICALL MethodEntryCallback(jvmtiEnv *jvmti, JNIEnv* jni, 
                                 jthread thread, jmethodID method) {
    char* method_name = NULL;
    char* class_name = NULL;
    jvmti->GetMethodName(method, &method_name, NULL, NULL);
    jvmti->GetClassSignature(jni->GetMethodDeclaringClass(method), 
                           &class_name, NULL);
    printf("Method entered: %s.%s\n", class_name, method_name);
    jvmti->Deallocate(method_name);
    jvmti->Deallocate(class_name);
}
// 导出Agent入口
AGENT_EXPORT jint JNICALL Agent_OnAttach(JavaVM* vm, char* options, void* reserved) {
    Agent_OnLoad(vm, options, reserved);
    return JNI_OK;
}

2. 关键接口实现要点

能力协商：通过AddCapabilities动态请求JVMTI功能，避免过度权限导致兼容性问题
事件处理：
- 优先使用JVMTI_EVENT_*宏定义的事件类型
- 回调函数需快速返回，避免阻塞JVM事件队列
内存管理：
- 使用Allocate/Deallocate替代标准库函数
- 注意字符串生命周期管理

四、编译与调试技巧

1. Visual Studio配置

创建”动态链接库(DLL)”项目
配置属性设置：
- C/C++ → 附加包含目录：$(JAVA_HOME)\include;$(JAVA_HOME)\include\win32
- 链接器 → 输入 → 附加依赖项：jvm.lib（位于JDK的lib目录）
生成64位DLL时，确保项目平台与JVM架构匹配

2. 调试方法

远程调试：
- 启动JVM时添加参数：-agentlib:jdwp=transport=dt_socket,server=y,suspend=n,address=5005
- VS中附加到Java进程

日志输出：

使用OutputDebugStringA配合DebugView工具

或重定向到文件：

FILE* log_file = fopen("agent.log", "a");
fprintf(log_file, "Debug info\n");
fflush(log_file);

五、动态加载与测试

1. 启动参数配置

java -agentpath:C:\path\to\agent.dll=option1=value1,option2=value2 MainClass

或通过VirtualMachine API动态加载：

public class AgentLoader {
    public static void loadAgent() {
        try {
            VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach("PID");
            vm.loadAgentPath("C:\\path\\to\\agent.dll", "options");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2. 典型问题排查

版本不匹配：
- 检查jvmti.h版本与目标JVM版本是否一致
- 使用java -version确认JVM架构
符号冲突：
- 避免使用JNIEXPORT以外的导出宏
- 检查是否有其他Agent占用相同回调
性能问题：
- 禁用不必要的事件通知
- 批量处理数据而非逐条处理

六、高级应用场景

1. 内存分析工具开发

// 对象分配回调示例
void JNICALL ObjectAllocCallback(jvmtiEnv *jvmti, JNIEnv* jni,
                                jthread thread, jobject object,
                                jclass object_klass, jlong size) {
    char* class_name = NULL;
    jvmti->GetClassSignature(object_klass, &class_name, NULL);
    printf("Allocated %ld bytes of %s\n", size, class_name);
    jvmti->Deallocate(class_name);
}

2. 方法耗时统计

// 使用哈希表存储方法进入时间
typedef struct {
    jmethodID method;
    jlong start_time;
} MethodTiming;
std::unordered_map<jmethodID, MethodTiming> timing_map;
void JNICALL MethodEntryCallback(...) {
    MethodTiming timing;
    timing.method = method;
    timing.start_time = GetCurrentTime(); // 需实现时间获取函数
    timing_map[method] = timing;
}
void JNICALL MethodExitCallback(...) {
    auto it = timing_map.find(method);
    if (it != timing_map.end()) {
        jlong duration = GetCurrentTime() - it->second.start_time;
        printf("Method %s.%s took %lld ms\n", ...);
        timing_map.erase(it);
    }
}

七、最佳实践建议

安全开发：
- 所有回调函数需标记为JNICALL
- 避免在回调中抛出Java异常
性能优化：
- 对高频事件（如GC开始/结束）使用采样而非全量
- 批量处理数据减少JNI调用
兼容性处理：
- 检查jvmtiError返回值
- 实现多版本JVM支持（通过JVMTI_VERSION_*宏）
资源释放：
- 显式释放所有Allocate分配的内存
- 卸载Agent时清理回调注册

通过系统掌握上述技术要点，开发者可在Windows环境下高效构建专业的JVMTI Agent工具，为Java应用性能调优、故障诊断提供强有力的底层支持。实际开发中建议结合具体业务场景，逐步扩展Agent功能模块。

Windows下JVMTI Agent开发全流程指南