如何拦截 Hotspot JVM 中的内存accesses/changes？

Question

我想为 Java 开发某种反向调试器（您可以在执行期间后退）。为此，我必须知道 JVM 的初始状态（可以通过核心转储轻松获得）。然后我必须拦截 JVM 正在执行的每个内存访问，这样我就可以得到 JVM 在执行期间所做的事情的时间线，这样我就可以重建 JVM 的每个状态。

所以，我需要的是一种拦截内存访问但具有低性能开销的方法，这意味着该解决方案不应增加超过 200-300% JVM 执行的开销，这已经很多了。

我想到的一些想法：
- 使用 ptrace，但它真的很慢
- 开发某种简单的虚拟机，其中我运行 JVM（在来宾 OS 之上），这个虚拟机拦截 JVM 可执行文件的所有内存访问，这类似于VMware 的 Replay debugger feature。问题是我不知道该怎么做，或者根本不知道该怎么做？

Answer 1

实际上，您想监视 Java 对象的变化。在低于 JVM 的级别跟踪内存更改是一种选择。使用

可以达到最大精度

页面写保护和用于生成写通知的信号处理程序（必须注意不要干扰 GC 写屏障）
使用 Valgrind 等检测框架的动态检测（静态检测不是一种选择，因为它不涵盖 JIT 输出）
基于自定义管理程序的虚拟化

对于快照，您可以使用

ptrace 用于进程挂起和获取进程内存
fork-based asynchronous snapshots using custom code / core dumps（利用内存写时复制，主进程不必挂起）
- 宽松版本中的最大精度实现策略

该选项的缺点是您还必须跟踪与 Java 堆本身无关的写入（JVM 内部结构、垃圾收集、监视器、库等）。影响 Java 堆的写入代表在任何给定时间进程中发生的所有写入的子集。此外，在没有实际 JVM 代码的情况下，从这些进程 snapshots/dumps 中提取实际 Java 对象也不太直接。

在 JVM 级别监视更改方面，更有利的策略，可以使用

实现最大精度

字节码检测（不包括基于 JNI 的写入）
- 高开销方法：记录每一次写入
- 低开销方法：添加一个写屏障，每当发生写入时设置一个标志并定期转储标记的对象
包含您自己的监控层的自定义 OpenJDK 构建
- 可以利用垃圾收集器写屏障来识别更改
  - 通常通过在每次写入时设置标志或
  - 通过写保护与对象关联的内存页面并通过设置标志处理分段错误，仅在第一次写入时设置的标志

对于快照，您可以使用

基于 JVMTI 的自定义堆快照 IterateThroughHeap and/or FollowReferences
堆转储在外部使用 JMX 触发或在内部触发：

HotSpotDiagnosticMXBean mxbean = ManagementFactory.newPlatformMXBeanProxy(
  ManagementFactory.getPlatformMBeanServer(),
  "com.sun.management:type=HotSpotDiagnostic",
  HotSpotDiagnosticMXBean.class);
mxbean.dumpHeap("dump.hprof", true);

宽松版本中的最大精度实现策略

"right" 方法取决于所需的性能特征、目标平台、可移植性（是否可以依赖特定的 JVM implementation/version），以及 precision/resolution（snapshots/sampling [聚合写入] 与检测 [记录每个单独的写入])。

就性能而言，在 JVM 级别进行监控往往更有效，因为只需要考虑实际的 Java 堆写入。将您的监控解决方案集成到 VM 中并利用 GC 写屏障可能是一种低开销解决方案，但也是最不便携的解决方案（绑定到特定的 JVM implementation/version）。

如果您需要记录每个单独的写入，则必须走检测路线，这很可能会产生显着的运行时开销。您无法聚合写入，因此没有优化潜力。

就 sampling/snapshotting 而言，实施 JVMTI 代理可能是一个很好的折衷方案。它提供了高可移植性（适用于许多 JVM）和高灵活性（迭代和处理可以根据您的需要定制，而不是依赖于标准的 HPROF 堆转储）。

如何拦截 Hotspot JVM 中的内存accesses/changes？

How to intercept memory accesses/changes in the Hotspot JVM?

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