深入探索Java热部署

　　简介
　　在 Java 开发领域，热部署一直是一个难以解决的问题，目前的 Java 虚拟机只能实现方法体的修改热部署，对于整个类的结构修改，仍然需要重启虚拟机，对类重新加载才能完成更新操作。对于某些大型的应用来说，每次的重启都需 要花费大量的时间成本。虽然 osgi 架构的出现，让模块重启成为可能，但是如果模块之间有调用关系的话，这样的操作依然会让应用出现短暂的功能性休克。本文将探索如何在不破坏 Java 虚拟机现有行为的前提下，实现某个单一类的热部署，让系统无需重启完成某个类的更新。
　　类加载的探索
　　首先谈一下何为热部署（hotswap），热部署是在不重启 Java 虚拟机的前提下，能自动侦测到 class 文件的变化，更新运行时 class 的行为。Java 类是通过 Java 虚拟机加载的，某个类的 class 文件在被 classloader 加载后，会生成对应的 Class 对象，之后可以创建该类的实例。默认的虚拟机行为只会在启动时加载类，如果后期有一个类需要更新的话，单纯替换编译的 class 文件，Java 虚拟机是不会更新正在运行的 class。如果要实现热部署，根本的方式是修改虚拟机的源代码，改变 classloader 的加载行为，使虚拟机能监听 class 文件的更新，重新加载 class 文件，这样的行为破坏性很大，为后续的 JVM 升级埋下了一个大坑。
　　另 一种友好的方法是创建自己的 classloader 来加载需要监听的 class，这样能控制类加载的时机，从而实现热部署。本文将具体探索如何实现这个方案。首先需要了解一下 Java 虚拟机现有的加载机制。目前的加载机制，称为双亲委派，系统在使用一个 classloader 来加载类时，会先询问当前 classloader 的父类是否有能力加载，如果父类无法实现加载操作，才会将任务下放到该 classloader 来加载。这种自上而下的加载方式的好处是，让每个 classloader 执行自己的加载任务，不会重复加载类。但是这种方式却使加载顺序非常难改变，让自定义 classloader 抢先加载需要监听改变的类成为了一个难题。
　　不过我们可以换一个思路，虽然无法抢先加载该类，但是仍然可以用自定义 classloader 创建一个功能相同的类，让每次实例化的对象都指向这个新的类。当这个类的 class 文件发生改变的时候，再次创建一个更新的类，之后如果系统再次发出实例化请求，创建的对象讲指向这个全新的类。
　　下面来简单列举一下需要做的工作。
　　创建自定义的 classloader，加载需要监听改变的类，在 class 文件发生改变的时候，重新加载该类。
　　改变创建对象的行为，使他们在创建时使用自定义 classloader 加载的 class。
　　自定义加载器的实现
　　自定义加载器仍然需要执行类加载的功能。这里却存在一个问题，同一个类加载器无法同 时加载两个相同名称的类，由于不论类的结构如何发生变化，生成的类名不会变，而 classloader 只能在虚拟机停止前销毁已经加载的类，这样 classloader 无法加载更新后的类了。这里有一个小技巧，让每次加载的类都保存成一个带有版本信息的 class，比如加载 Test.class 时，保存在内存中的类是 Test_v1.class，当类发生改变时，重新加载的类名是 Test_v2.class。但是真正执行加载 class 文件创建 class 的 defineClass 方法是一个 native 的方法，修改起来又变得很困难。所以面前还剩一条路，那是直接修改编译生成的 class 文件。
　　利用 ASM 修改 class 文件
　　可 以修改字节码的框架有很多，比如 ASM，CGLIB。本文使用的是 ASM。先来介绍一下 class 文件的结构，class 文件包含了以下几类信息，一个是类的基本信息，包含了访问权限信息，类名信息，父类信息，接口信息。第二个是类的变量信息。第三个是方法的信息。ASM 会先加载一个 class 文件，然后严格顺序读取类的各项信息，用户可以按照自己的意愿定义增强组件修改这些信息，后输出成一个新的 class。
　　首先看一下如何利用 ASM 修改类信息。
　　清单 1. 利用 ASM 修改字节码
　　ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.<em>COMPUTE_MAXS</em>);
　　ClassReader cr = null;
　　String enhancedClassName = classSource.getEnhancedName();
　　try {
　　cr = new ClassReader(new FileInputStream(
　　classSource.getFile()));
　　} catch (IOException e) {
　　e.printStackTrace();
　　return null;
　　}
　　ClassVisitor cv = new EnhancedModifier(cw，
　　className.replace("."， "/")，
　　enhancedClassName.replace("."， "/"));
　　cr.accept(cv， 0);
　　ASM 修改字节码文件的流程是一个责任链模式，首先使用一个 ClassReader 读入字节码，然后利用 ClassVisitor 做个性化的修改，后利用 ClassWriter 输出修改后的字节码。
　　之前提过，需要将读取的 class 文件的类名做一些修改，加载成一个全新名字的派生类。这里将之分为了 2 个步骤。
　　第一步，先将原来的类变成接口。
　　清单 2. 重定义的原始类
　　public Class&lt;?&gt; redefineClass(String className){
　　ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.<em>COMPUTE_MAXS</em>);
　　ClassReader cr = null;
　　ClassSource cs = <em>classFiles</em>.get(className);
　　if(cs==null){
　　return null;
　　}
　　try {
　　cr = new ClassReader(new FileInputStream(cs.getFile()));
　　} catch (IOException e) {
　　e.printStackTrace();
　　return null;
　　}
　　ClassModifier cm = new ClassModifier(cw);
　　cr.accept(cm， 0);
　　byte[] code = cw.toByteArray();
　　return defineClass(className， code， 0， code.length);
　　}
　　首先 load 原始类的 class 文件，此处定义了一个增强组件 ClassModifier，作用是修改原始类的类型，将它转换成接口。原始类的所有方法逻辑都会被去掉。
　　第二步，生成的派生类都实现这个接口，即原始类，并且复制原始类中的所有方法逻辑。之后如果该类需要更新，会生成一个新的派生类，也会实现这个接口。这样做的目的是不论如何修改，同一个 class 的派生类都有一个共同的接口，他们之间的转换变得对外不透明。
　　清单 3. 定义一个派生类
　　// 在 class 文件发生改变时重新定义这个类
　　private Class&lt;?&gt; redefineClass(String className， ClassSource classSource){
　　ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.<em>COMPUTE_MAXS</em>);
　　ClassReader cr = null;
　　classSource.update();
　　String enhancedClassName = classSource.getEnhancedName();
　　try {
　　cr = new ClassReader(
　　new FileInputStream(classSource.getFile()));
　　} catch (IOException e) {
　　e.printStackTrace();
　　return null;
　　}
　　EnhancedModifier em = new EnhancedModifier(cw， className.replace("."， "/")，
　　enhancedClassName.replace("."， "/"));
　　ExtendModifier exm = new ExtendModifier(em， className.replace("."， "/")，
　　enhancedClassName.replace("."， "/"));
　　cr.accept(exm， 0);
　　byte[] code = cw.toByteArray();
　　classSource.setByteCopy(code);
　　Class&lt;?&gt; clazz = defineClass(enhancedClassName， code， 0， code.length);
　　classSource.setClassCopy(clazz);
　　return clazz;
　　}
　　再次 load 原始类的 class 文件，此处定义了两个增强组件，一个是 EnhancedModifier，这个增强组件的作用是改变原有的类名。第二个增强组件是 ExtendModifier，这个增强组件的作用是改变原有类的父类，让这个修改后的派生类能够实现同一个原始类（此时原始类已经转成接口了）。
　　自定义 classloader 还有一个作用是监听会发生改变的 class 文件，classloader 会管理一个定时器，定时依次扫描这些 class 文件是否改变。
　　改变创建对象的行为
　　Java 虚拟机常见的创建对象的方法有两种，一种是静态创建，直接 new 一个对象，一种是动态创建，通过反射的方法，创建对象。
　　由于已经在自定义加载器中更改了原有类的类型，把它从类改成了接口，所以这两种创建方法都无法成立。我们要做的是将实例化原始类的行为变成实例化派生类。
　　对于第一种方法，需要做的是将静态创建，变为通过 classloader 获取 class，然后动态创建该对象。
　　清单 4. 替换后的指令集所对应的逻辑
　　// 原始逻辑
　　Greeter p = new Greeter();
　　// 改变后的逻辑
　　IGreeter p = (IGreeter)MyClassLoader.<em>getInstance</em>().
　　findClass("com.example.Greeter").newInstance();
　　这里又需要用到 ASM 来修改 class 文件了。查找到所有 new 对象的语句，替换成通过 classloader 的形式来获取对象的形式。