Skywalking插件开发指南

此文章翻译了skywalking官方的Java-Plugin-Development-Guide.md

这篇文档主要介绍理解，开发和贡献插件

概念

Span（跨度）

在分布式的链路追踪系统里面Span是一个重要而又普遍的概念。我们可以从Google Dapper Paper 和 OpenTracing学习span的相关知识

Skywalking从2017年就支持OpenTracing和OpenTracing-Java API。我们的Span概念和OpenTracing以及google的论文里面的概念非常相思。而且我们也扩展了Span。

这里有三中类型的Span

1.1 EntrySpan

EntrySpan代表了一个服务提供者，也就是服务端。作为一个APM系统，我们关注应用服务器。所以几乎所有的服务和MQ的消费端都是EntrySpan。

1.2 LocalSpan

LocalSpan可以理解为一个和远程服务无关的普通的Java方法，且这个Java方法即不是MQ的生产者，也不是消费者，更不是一个HTTP服务的生产者和消费者。

1.3 ExitSpan

ExitSpan代表服务的客户端或者MQ的生产者，在Skywalking的早期版本里面名字是LeafSpan。例如通过JDBC访问DB，从Redis或者Memcached读取数据都被归类为ExitSpan。

ContextCarrier（上下文载体）

为了实现分布式的链路追踪，跨进城的追踪需要被绑定，上下文环境需要跨进程传播，这就是ContextCarrier的职责。

一下步骤是在一个A->B的分布式调用中，如何去使用ContextCarrier

1. 在客户端创建一个空的ContextCarrier。

2. 通过 ContextManager#createExitSpan 方法创建一个新的ExitSpan或者使用ContextManager#inject去初始化ContextCarrier。

3. 将所有的ContextCarrier的信息放入到head（Http head），attachments（Dobbo RPC框架）或者messages（Kafka）中。

4. 通过服务调用，ContextCarrier传播到服务端。

5. 在服务端可以通过heads/attachments/messages获取到ContextCarrier的所有信息。

6. ContextManager#createEntrySpan方法会创建一个EntrySpan或者使用 ContextManager#extract方法来将客户端和服务器绑定到一起。

让我们用Apache HTTPComponent client端插件和Tomcat7 server插件来演示一下。

1. Apache HTTPComponent客户端插件

     span = ContextManager.createExitSpan("/span/operation/name", contextCarrier, "ip:port");
     CarrierItem next = contextCarrier.items();
     while (next.hasNext()) {
         next = next.next();
         httpRequest.setHeader(next.getHeadKey(), next.getHeadValue());
     }

1. Tomcat 7 服务端插件

   ContextCarrier contextCarrier = new ContextCarrier();
   CarrierItem next = contextCarrier.items();
   while (next.hasNext()) {
       next = next.next();
       next.setHeadValue(request.getHeader(next.getHeadKey()));
   }
   ​
   span = ContextManager.createEntrySpan(“/span/operation/name”, contextCarrier);

    

ContextSnapshot（上下文快照）

除了跨进程，跨线程也需要得到支持，因为异步执行（内存中的MQ）和批处理在Java中很常见。 跨进程和跨线程是相似的，因为它们都是关于传播上下文。 唯一的区别是，跨线程不需要序列化。

这是跨线程传播的三个步骤：

1.使用ContextManager＃capture获取ContextSnapshot对象。 2.让子线程通过方法参数或由现有参数携带的任何方式访问ContextSnapshot。 3.在子线程中使用ContextManager＃continued。

 

 

Core APIs（核心API）

ContextManager

ContextManager提供了所有主要的和几本的API。

1. 创建EntrySpan

public static AbstractSpan createEntrySpan(String endpointName, ContextCarrier carrier)

创建EntrySpan通过操作名(比如服务名、URI等) 和 ContextCarrier

1. 创建LocalSpan

public static AbstractSpan createLocalSpan(String endpointName)

通过操作名称(比如方法的全限定名等)创建LoalSpan

1. 创建ExitSpan

public static AbstractSpan createExitSpan(String endpointName, ContextCarrier carrier, String remotePeer)

通过操作名(比如服务名、URI等)、new一个ContextCarrier 地址信息（比如ip+port，或者hostname+port）和创建ExitSpan

AbstractSpan

    /**
     * Set the component id, which defines in {@link ComponentsDefine}
     *
     * @param component
     * @return the span for chaining.
     */
    AbstractSpan setComponent(Component component);
​
    /**
     * Only use this method in explicit instrumentation, like opentracing-skywalking-bridge.
     * It it higher recommend don't use this for performance consideration.
     *
     * @param componentName
     * @return the span for chaining.
     */
    AbstractSpan setComponent(String componentName);
​
    AbstractSpan setLayer(SpanLayer layer);
​
    /**
     * Set a key:value tag on the Span.
     *
     * @return this Span instance, for chaining
     */
    AbstractSpan tag(String key, String value);
​
    /**
     * Record an exception event of the current walltime timestamp.
     *
     * @param t any subclass of {@link Throwable}, which occurs in this span.
     * @return the Span, for chaining
     */
    AbstractSpan log(Throwable t);
​
    AbstractSpan errorOccurred();
​
    /**
     * Record an event at a specific timestamp.
     *
     * @param timestamp The explicit timestamp for the log record.
     * @param event the events
     * @return the Span, for chaining
     */
    AbstractSpan log(long timestamp, Map<String, ?> event);
​
    /**
     * Sets the string name for the logical operation this span represents.
     *
     * @return this Span instance, for chaining
     */
    AbstractSpan setOperationName(String endpointName);

除了operation name、tags、logs还有两个属性需要设置，即component和layer

SpanLayer是span的一种，有五种类型：

1. UNKNOWN (default)

2. DB

3. RPC_FRAMEWORK（RPC框架，不是通常的HTTP）

4. HTTP

5. MQ

Component IDs被skywalking项目定义和保留。

对于component name/ID扩展，请遵循 Component library definition and extension 文档。

Advanced APIs

Async Span APIs（异步Span API）

Span中有一组高级API，这些API专用于异步方案。 当span的标签，日志，属性（包括结束时间）需要在另一个线程中设置，则应使用这些API。

    /**
     * The span finish at current tracing context, but the current span is still alive, until {@link #asyncFinish}
     * called.
     *
     * This method must be called<br/>
     * 1. In original thread(tracing context).
     * 2. Current span is active span.
     *
     * During alive, tags, logs and attributes of the span could be changed, in any thread.
     *
     * The execution times of {@link #prepareForAsync} and {@link #asyncFinish()} must match.
     *
     * @return the current span
     */
    AbstractSpan prepareForAsync();
​
    /**
     * Notify the span, it could be finished.
     *
     * The execution times of {@link #prepareForAsync} and {@link #asyncFinish()} must match.
     *
     * @return the current span
     */
    AbstractSpan asyncFinish();

1. 在原始上下文中调用#prepareForAsync。

2. 完成当前线程中的工作后，在原始上下文中执行ContextManager＃stopSpan。

3. 将跨度传播到任何其他线程。

4. 完成所有设置后，在任何线程中调用#asyncFinish。

5. 跟踪上下文将完成，并在所有跨度的#prepareForAsynsc完成时向后端报告（由API执行次数判断）。

 

Develop a plugin（开发插件）

Abstract

追踪的几本方法是使用字节码技术或者AOP来拦截Java方法。

Skywalking封装了字节码操作并追踪上下午传播，所以你只需要定义拦截点（在Spring中也称为切入点）即可。

Intercept

Skywalking提供了两种通用的拦截构造函数的方法：实例方法和类方法。

• 扩展ClassInstanceMethodsEnhancePluginDefine类，定义Constructor拦截点和instance method拦截点。

• 扩展ClassStaticMethodsEnhancePluginDefine定义类方法拦截点。

当然，你也可以扩展ClassEnhancePluginDefine，来设置所有的拦截点，但是一般不这么用。

Implement plugin

下面演示如何通过扩展ClassInstanceMethodsEnhancePluginDefine实现一个插件。

1. 定义目标类名称

protected abstract ClassMatch enhanceClass();

ClassMatch表示如何匹配目标类，有四种方式：

• byName，通过类的全限定名称（包名+ . + 类名）

• byClassAnnotationMath，通过类存在的特定注解

• byMethodAnnotationMatch，通过类方法存在的特定注解

• byHierarchyMatch，通过类的父类或者接口

 

注意:

• 在增强定义中，永远不要使用ThirdPartyClass.class，比如takesArguments(ThirdPartyClass.class)，或者 byName(ThirdPartyClass.class.getName())，因为在目标应用中并不一定存在ThirdPartyClass，且这会破坏Agent。 我们在CI中有import检查来帮助校验，但是它并不涵盖此限制的所有情况，因此切勿尝试通过使用完全限定的类名（FQCN）之类的方法来解决此限制，例如：takesArguments(full.qualified.ThirdPartyClass.class) 和byName(full.qualified.ThirdPartyClass.class.getName())将通过CI检查，但是在agent的代码中仍然无效，请使类的全限定名。

• 即使你完全确定要拦截的类也存在于目标应用程序中（例如JDK的类），仍然不要使用*.class.getName()来获取类的String名称，建议使符串。 这是为了避免ClassLoader带来的问题。

• by*AnnotationMatch 不支持继承的注解

• 不推荐使用 byHierarchyMatch，除非必须要用的时候。因为可能会触发拦截许多不是自己想拦截的方法，这会导致性能问题。

例如：

@Override
protected ClassMatch enhanceClassName() {
    return byName("org.apache.catalina.core.StandardEngineValve");    
}         
​

1. 定义一个实例方法的拦截点：

public InstanceMethodsInterceptPoint[] getInstanceMethodsInterceptPoints();
​
public interface InstanceMethodsInterceptPoint {
    /**
     * class instance methods matcher.
     *
     * @return methods matcher
     */
    ElementMatcher<MethodDescription> getMethodsMatcher();
​
    /**
     * @return represents a class name, the class instance must instanceof InstanceMethodsAroundInterceptor.
     */
    String getMethodsInterceptor();
​
    boolean isOverrideArgs();
}

还可以使用Matcher设置目标方法。 如果想要在拦截器中修改参数引用，则需要在isOverrideArgs中返回true。

以下各章节将讲述如何实现拦截器。

3.将插件定义添加到skywalking-plugin.def文件中

tomcat-7.x/8.x=TomcatInstrumentation

Implement an interceptor

实现一个实例方法拦截器，需要实现接口org.apache.skywalking.apm.agent.core.plugin.interceptor.enhance.InstanceMethodsAroundInterceptor

/**
 * A interceptor, which intercept method's invocation. The target methods will be defined in {@link
 * ClassEnhancePluginDefine}'s subclass, most likely in {@link ClassInstanceMethodsEnhancePluginDefine}
 *
 * @author wusheng
 */
public interface InstanceMethodsAroundInterceptor {
    /**
     * called before target method invocation.
     *
     * @param result change this result, if you want to truncate the method.
     * @throws Throwable
     */
    void beforeMethod(EnhancedInstance objInst, Method method, Object[] allArguments, Class<?>[] argumentsTypes,
        MethodInterceptResult result) throws Throwable;
​
    /**
     * called after target method invocation. Even method's invocation triggers an exception.
     *
     * @param ret the method's original return value.
     * @return the method's actual return value.
     * @throws Throwable
     */
    Object afterMethod(EnhancedInstance objInst, Method method, Object[] allArguments, Class<?>[] argumentsTypes,
        Object ret) throws Throwable;
​
    /**
     * called when occur exception.
     *
     * @param t the exception occur.
     */
    void handleMethodException(EnhancedInstance objInst, Method method, Object[] allArguments, Class<?>[] argumentsTypes,
        Throwable t);
}

在before、after和exception环境使用这些核心API

 

启动类增强机制

SkyWalking已将引导程序方法打包在agent-core里面。 通过在Instrumentation定义，很容易启用。

重写方法 public boolean isBootstrapInstrumentation() 且返回true，如下所示：

public class URLInstrumentation extends ClassEnhancePluginDefine {
    private static String CLASS_NAME = "java.net.URL";
​
    @Override protected ClassMatch enhanceClass() {
        return byName(CLASS_NAME);
    }
​
    @Override public ConstructorInterceptPoint[] getConstructorsInterceptPoints() {
        return new ConstructorInterceptPoint[] {
            new ConstructorInterceptPoint() {
                @Override public ElementMatcher<MethodDescription> getConstructorMatcher() {
                    return any();
                }
​
                @Override public String getConstructorInterceptor() {
                    return "org.apache.skywalking.apm.plugin.jre.httpurlconnection.Interceptor2";
                }
            }
        };
    }
​
    @Override public InstanceMethodsInterceptPoint[] getInstanceMethodsInterceptPoints() {
        return new InstanceMethodsInterceptPoint[0];
    }
​
    @Override public StaticMethodsInterceptPoint[] getStaticMethodsInterceptPoints() {
        return new StaticMethodsInterceptPoint[0];
    }
​
    @Override public boolean isBootstrapInstrumentation() {
        return true;
    }
}

注意，仅在必要时进行引导检测，但大多数情况下会影响JRE core（rt.jar），并可能意料之外的结果和副作用。

贡献插件到Apache SkyWalking仓库

我们欢迎大家贡献插件。

请按照以下步骤操作：

1. 提交一个有关您要贡献哪些插件的问题，包括支持的版本。

2. 在 apm-sniffer/apm-sdk-plugin 或者apm-sniffer/optional-plugins模块下创建自模块，插件项目的名称需要包含支持的库的名称和版本

3. 按照本指南进行开发。 确保提供了注释和测试用例。

4. 开发和测试。

5. 提供自动测试用例。如何编写插件测试用例，可以参考此文档。

6. 发送pr并申请review

7. 插件提交者审批通过提交的插件，插件CI-with-IT，e2e和插件测试通过。

8. SkyWalking接受插件。

来源：oschina

链接：https://my.oschina.net/mingshashan/blog/3165512