重寫類載入器，實現簡單的熱替換
一、前言
關於類載入器，前面寫了三篇，這篇是第四篇。
實戰分析Tomcat的類載入器結構（使用Eclipse MAT驗證）
還是Tomcat，關於類載入器的趣味實驗
了不得，我可能發現了Jar 包衝突的祕密
本篇寫個簡單的例子，來說說類的熱替換。
先說個原則，在同一個類載入器內，不能重複載入同一個類（因為 classloader 在 loadClass 一次後會快取在類載入器內部，此時如果再次載入，其實是直接從快取取，我意思的載入，是指真正去呼叫 defineClass 去載入。）。所以，要熱替換一個類，必須連其類載入器一起換掉。
二、步驟
1、原始碼
一共兩個工程，工程1，只有下面這一個類
測試類，TestSample.java，這個類的用處就是，我們不斷改變其 printClassLoader 的程式碼，並重新編譯後，放到指定位置：
/**
* desc:
*
* @author : caokunliang
* creat_date: 2019/6/15 0015
* creat_time: 14:01
**/
public class TestSample {
public void printClassLoader(TestSample testSample) {
System.out.println(testSample.getClass().getClassLoader());
}
}
工程2，兩個類：
ReloadMainTest.java，主要是啟動一個定時任務，定時任務會每隔3s，用一個自定義的類載入器，去指定位置（為了簡單，直接路徑寫死了）載入 TestSample.class，並呼叫其方法進行列印，檢視是否熱替換成功：
import java.lang.reflect.Method;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* desc:
*
* @author : caokunliang
* creat_date: 2019/6/14 0014
* creat_time: 17:04
**/
public class ReloadMainTest {
public static void reload()throws Exception{
String className = "TestSample";
MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("/home/test/TestSample.class", className);
Class<?> loadClass = classLoader.findClass(className);
Object instance = loadClass.newInstance();
Method method = instance.getClass().getMethod("printClassLoader", new Class[]{loadClass});
method.invoke(instance,instance);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
testReload();
}
public static void testReload(){
//建立一個2s執行一次的定時任務
Executors.newScheduledThreadPool(1).scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
reload();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
},0,3, TimeUnit.SECONDS);
}
}
MyClassLoader.java，自定義的類載入器：
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
/**
* desc:
*
* @author : caokunliang
* creat_date: 2019/6/13 0013
* creat_time: 10:19
**/
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
private String classPath;
private String className;
public MyClassLoader(String classPath, String className) {
this.classPath = classPath;
this.className = className;
}
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
byte[] data = getData();
return defineClass(className,data,0,data.length);
}
private byte[] getData(){
String path = classPath;
try {
FileInputStream inputStream = new FileInputStream(path);
ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
byte[] bytes = new byte[2048];
int num = 0;
while ((num = inputStream.read(bytes)) != -1){
byteArrayOutputStream.write(bytes, 0,num);
}
return byteArrayOutputStream.toByteArray();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
}
2、測試
我這邊的測試路徑為：/home/test， MyClassLoader.java已經編譯
[root@localhost test]# pwd /home/test [root@localhost test]# ll MyClassLoader.* -rw-r--r--. 1 root root 1175 Jun 13 11:25 MyClassLoader.class -rw-r--r--. 1 root root 1242 Jun 13 11:25 MyClassLoader.java
我的工程2 的程式碼放在另一個目錄下：
[root@localhost test-reload]# pwd /home/test/test-reload [root@localhost test-reload]# ll total 20 -rw-r--r--. 1 root root 1464 Jun 15 17:55 MyClassLoader.class -rw-r--r--. 1 root root 1458 Jun 15 17:55 MyClassLoader.java -rw-r--r--. 1 root root 511 Jun 15 17:55 ReloadMainTest$1.class -rw-r--r--. 1 root root 1531 Jun 15 17:55 ReloadMainTest.class -rw-r--r--. 1 root root 1218 Jun 15 17:52 ReloadMainTest.java
執行 java ReloadMainTest，啟動測試類，就會每個3s，執行 TestSample 的方法：
此時，我們在另一個視窗中，去修改 TestSample.java，並重新編譯之：
此時，我們切回原視窗，可以發現輸出發生了變化：
3、測試進階
這裡要介紹一個工具，阿里開源的arthas。 （https://alibaba.github.io/arthas/en/install-detail.html）
這款工具，功能很強，下圖是其簡單介紹：
這裡，我打算使用其 類搜尋功能，通過搜尋 TestSample 類，來檢視該類是從哪個類載入器載入而來，使用方式極其簡單，直接java 啟動 arthas，然後選擇要attach的java 應用。
[root@localhost test]# java -jar arthas-boot.jar
[INFO] arthas-boot version: 3.1.1
[INFO] Found existing java process, please choose one and hit RETURN.
* [1]: 10100 org.apache.catalina.startup.Bootstrap
[2]: 25517 ReloadMainTest
2
[INFO] arthas home: /root/.arthas/lib/3.1.1/arthas
[INFO] Try to attach process 25517
[INFO] Attach process 25517 success.
[INFO] arthas-client connect 127.0.0.1 3658
,---. ,------. ,--------.,--. ,--. ,---. ,---.
/ O \ | .--. ''--. .--'| '--' | / O \ ' .-'
| .-. || '--'.' | | | .--. || .-. |`. `-.
| | | || |\ \ | | | | | || | | |.-' |
`--' `--'`--' '--' `--' `--' `--'`--' `--'`-----'
wiki https://alibaba.github.io/arthas
tutorials https://alibaba.github.io/arthas/arthas-tutorials
version 3.1.1
pid 25517
time 2019-06-15 19:16:59
下面我們搜尋下TestSample類，（直接輸入：sc -df TestSample）：
是不是看到類載入器了，但這只是我截了一部分的圖而已，這個命令會把 當前java程序中所有的匹配這個類的都搜出來。我們看看到底搜出來多少：
這裡顯示了，一共有9行，也就是說，在我們的定時器執行緒的不斷執行下，每隔3s就用一個新的類載入器去載入 TestSample，目前java 程序中，已經有9個 TestSample 類了。
多個同名類，（但不同類載入器），會不會有問題？按理說應該不會，因為假設另一個類B引用該類，那麼類B預設就會用它自己的類載入器來載入該類，按理說，是載入不到的，直接就報錯了。（存疑。。。）
說回來（實在是編不下去了。。），這裡我們的 ReloadMainTest，都是 把一個classloader 用完即棄，包括 該classloader 載入的類，以及用載入的類new出來的物件，都是在一個方法內，屬於區域性變數，跑完一次迴圈，就沒人持有他們的引用了。
但是，為什麼我們還看到有9個類存在呢？ 這個主要還是因為，class 相關的資料都是存放在 永久代，永久代平時一般不進行垃圾回收，所以我們才能看到那些廢棄類的屍體。我們可以試試呼叫垃圾回收，通過jmap就可以觸發。
[root@localhost test]# jmap -dump:live,format=b,file=heap23.bin 25517 Dumping heap to /home/test/heap23.bin ... Heap dump file created
此時再看類的數量，是不是變了：
三、簡單總結
這篇簡單介紹瞭如何進行類的熱替換。這裡的熱替換，建立在這樣的基礎上：我們載入了新的class，然後new了物件，呼叫了物件的方法後，整個過程就結束了，沒涉及到和其他類的互動。正因為如此，新生成的物件沒有被任何地方引用，所以可以進行垃圾回收；物件被回收後，perm區的class物件也就可以進行回收了，於是，classloader也沒被任何地方引用，也可以進行回收，所以最後的那個測試才能出現上述的結果（即：jmap觸發full gc後，TestSample的數量變回1）。
客觀來說，暫時還沒發現在真實環境裡能發揮出什麼作用，但是作為學習案例，是夠了的。為什麼在真實環境沒用（比如 java web專案），在這類專案中，應用被打成一個war包（jar包的spring boot方式還沒研究內部的類載入器結構，不能亂說），應用的WEB-INF下的classes和lib目錄下的 jar 包，都是由同一個類載入器（也就是webappclassloader）載入。如果要替換的話，只能整個 webappclassloader 全部換掉才可能。能不能單獨換一個類呢，我感覺是不行的，假設 ControllerA 裡面引用了 AService，AServiceImpl實現AService，你說我現在想換掉 AServiceImpl，假設我們重新用自定義的類載入器 去某個位置載入 了新的 AServiceImpl ，那麼我們要怎麼才能讓 AService 引用到這個新的 實現類呢？ 且不說這二者由不同的類載入器載入，其次，還得把之前的舊的實現的被別處引用的地方給換掉。。。想想還是很不好搞。。。
這裡預告一下，下一篇會是一個黑科技，尤其是對java web、java 後臺開發人員而言，主要是給後臺程式開個後門，執行我們的任意程式碼，在程式不重啟的情況下進行除錯、全域性引數檢視、方法執行等，給同事們演示了一下，效果還是很不錯的。