深入Java调试体系: 第1部分,JPDA体系概览

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JPDA 组成模块

JPDA 定义了一个完整独立的体系,它由三个相对独立的层次共同组成,而且规定了它们三者之间的交互方式,或者说定义了它们通信的接口。这三个层次由低到高分别是 Java 虚拟机工具接口(JVMTI),Java 调试线协议(JDWP)以及 Java 调试接口(JDI)。这三个模块把调试过程分解成几个很自然的概念:调试者(debugger)和被调试者(debuggee),以及他们中间的通信器。被调试者运行于我们想调试的 Java 虚拟机之上,它可以通过 JVMTI 这个标准接口,监控当前虚拟机的信息;调试者定义了用户可使用的调试接口,通过这些接口,用户可以对被调试虚拟机发送调试命令,同时调试者接受并显示调试结果。在调试者和被调试着之间,调试命令和调试结果,都是通过 JDWP 的通讯协议传输的。所有的命令被封装成 JDWP 命令包,通过传输层发送给被调试者,被调试者接收到 JDWP 命令包后,解析这个命令并转化为 JVMTI 的调用,在被调试者上运行。类似的,JVMTI 的运行结果,被格式化成 JDWP 数据包,发送给调试者并返回给 JDI 调用。而调试器开发人员就是通过 JDI 得到数据,发出指令。图 2 展示了这个过程

图 2. JPDA 模块层次

当然,开发人员完全可以不使用完整的三个层次,而是基于其中的某一个层次开发自己的应用。比如您完全可以仅仅依靠通过 JVMTI 函数开发一个调试工具,而不使用 JDWP 和 JDI,只使用自己的通讯和命令接口。当然,除非是有特殊的需求,利用已有的实现会使您事半功倍,避免重复发明轮子。

这三个模块我们会在后续文章中分别详细介绍,这里我们简单介绍它们的主要功能:

Java 虚拟机工具接口(JVMTI)

JVMTI(Java Virtual Machine Tool Interface)即指 Java 虚拟机工具接口,它是一套由虚拟机直接提供的 native 接口,它处于整个 JPDA 体系的最底层,所有调试功能本质上都需要通过 JVMTI 来提供。通过这些接口,开发人员不仅调试在该虚拟机上运行的 Java 程序,还能查看它们运行的状态,设置回调函数,控制某些环境变量,从而优化程序性能。我们知道,JVMTI 的前身是 JVMDI 和 JVMPI,它们原来分别被用于提供调试 Java 程序以及 Java 程序调节性能的功能。在 J2SE 5.0 之后 JDK 取代了 JVMDI 和 JVMPI 这两套接口,JVMDI 在最新的 Java SE 6 中已经不提供支持,而 JVMPI 也计划在 Java SE 7 后被彻底取代。

Java 调试线协议(JDWP)

JDWP(Java Debug Wire Protocol)是一个为 Java 调试而设计的一个通讯交互协议,它定义了调试器和被调试程序之间传递的信息的格式。在 JPDA 体系中,作为前端(front-end)的调试者(debugger)进程和后端(back-end)的被调试程序(debuggee)进程之间的交互数据的格式就是由 JDWP 来描述的,它详细完整地定义了请求命令、回应数据和错误代码,保证了前端和后端的 JVMTI 和 JDI 的通信通畅。比如在 Sun 公司提供的实现中,它提供了一个名为 jdwp.dll(jdwp.so)的动态链接库文件,这个动态库文件实现了一个 Agent,它会负责解析前端发出的请求或者命令,并将其转化为 JVMTI 调用,然后将 JVMTI 函数的返回值封装成 JDWP 数据发还给后端。

另外,这里需要注意的是 JDWP 本身并不包括传输层的实现,传输层需要独立实现,但是 JDWP 包括了和传输层交互的严格的定义,就是说,JDWP 协议虽然不规定我们是通过 EMS 还是快递运送货物的,但是它规定了我们传送的货物的摆放的方式。在 Sun 公司提供的 JDK 中,在传输层上,它提供了 socket 方式,以及在 Windows 上的 shared memory 方式。当然,传输层本身无非就是本机内进程间通信方式和远端通信方式,用户有兴趣也可以按 JDWP 的标准自己实现。

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只有经历过地狱般的折磨,才有征服天堂的力量,只有流过血的手指,才能弹出世间的绝唱。

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