透過現象看本質：Java類動態載入和熱替換
摘要：本文主要介紹類載入器、自定義類載入器及類的載入和解除安裝等內容，並舉例介紹了Java類的熱替換。
最近，遇到了兩個和Java類的載入和解除安裝相關的問題：
1) 是一道關於Java的判斷題：一個類被首次載入後，會長期留駐JVM，直到JVM退出。這個說法，是不是正確的？
2) 在開發的一個整合平臺中，需要整合類似介面的多種工具，並且工具可能會有新增，同時在不同的環境部署會有裁剪（例如對外提供服務的應用，不能提供特定的採購的工具），如何才能更好地實現？
針對上面的第2點，我們採用Java外掛化開發實現。上面的兩個問題，都和Java的類載入和熱替換機制有關。
1. Java的類載入器和雙親委派模型
1.1 Java類載入器
類載入器，顧名思義，就是用來實現類的載入操作。每個類載入器都有一個獨立的類名稱空間，就是說每個由該類載入器載入的類，都在自己的類名稱空間，如果要比較兩個類是否“相等”，首先這兩個類必須在相同的類名稱空間，即由相同的類載入器載入（即對於任何一個類，都必須由該類本身和載入它的類載入器一起確定其在JVM中的唯一性），不是同一個類載入器載入的類，不會相等。
在Java中，主要有如下的類載入器：
圖1.1 Java類載入器
下面，簡單介紹上面這幾種類載入器：
- 啟動類載入器（Bootstrap Class Loader）：這個類使用C++開發（所有的類載入器中，唯一使用C++開發的類載入器），用來載入<JAVA_HOME>/lib目錄中jar和tools.jar或者使用 -Xbootclasspath 引數指定的類。
- 擴充套件類載入器（Extension Class Loader）：定義為misc.Launcher$ExtClassLoader，用來載入<JAVA_HOME>/lib/ext目錄或者使用java.ext.dir指定的類。
- 應用程式類載入器（Application Class Loader）：定義為misc.Launcher$AppClassLoader，用來載入使用者類路徑下面（classpath）下面所有的類，一般情況下，該類是應用程式預設的類載入器。
- 使用者自定義類載入器（User Class Loader）：使用者自定義類載入器，一般沒有必要，後面我們會專門來一部分介紹該型別的類載入器。
1.2 雙親委派模型
雙親委派模型，是從 Java1.2 開始引入的一種類載入器模式，在Java中，類的載入操作通過java.lang.ClassLoader中的loadClass()方法完成，咱們首先看看該方法的實現（直接從Java原始碼中撈出來的）：
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
我們結合上面的註釋，來解釋下雙親委派模型的內容：
1) 接收到一個類載入請求後，首先判斷該類是否有載入，如果已經載入，則直接返回；
2) 如果尚未載入，首先獲取父類載入器，如果可以獲取父類載入器，則呼叫父類的loadClass()方法來載入該類，如果無法獲取父類載入器，則呼叫啟動器載入器來載入該類；
3) 判斷該類是否被父類載入器或者啟動類載入器載入，如果已經載入完成則返回，如果未成功載入，則自己嘗試來載入該類。
上面的描述，說明了loadClass()方法的實現，我們進一步對上面的步驟進行解釋：
- 因為類載入器首先調父類載入器來進行載入，從loadClass()方法的實現，我們知道父類載入器會嘗試調自己的父類載入器，直到啟動類載入器，所以，任何一個類的載入，都會最終委託到啟動類載入器來首先載入；
- 在前面有進行介紹，啟動類載入器、擴充套件類載入器、應用程式類載入器，都有自己載入的類的範圍，例如啟動類載入器只加載JDK核心庫，因此並不是父類載入器就可以都載入成功，父類載入器無法載入（一般如上面程式碼，丟擲來ClassNotFoundException），此時會由自己載入。
最後囉嗦一下，再進行一下總結：
雙親委派模型：如果一個類載入器收到類載入請求，會首先把載入請求委派給父類載入器完成，每個層次的類載入器都是這樣，最終所有的載入請求都傳動到最根的啟動類載入器來完成，如果父類載入器無法完成該載入請求（即自己載入的範圍內找不到該類），子類載入器才會嘗試自己載入。
這樣的雙親委派模型有個好處：就是所有的類都儘可能由頂層的類載入器載入，保證了載入的類的唯一性，如果每個類都隨機由不同的類載入器載入，則類的實現關係無法保證，對於保證Java程式的穩定執行意義重大。
2. Java的類動態載入和解除安裝
2.1 Java類的解除安裝
在Java中，每個類都有相應的Class Loader，同樣的，每個例項物件也會有相應的類，當滿足如下三個條件時，JVM就會解除安裝這個類：
1) 該類所有例項物件不可達
2) 該類的Class物件不可達
3) 該類的Class Loader不可達
那麼，上面示例物件、Class物件和類的Class Loader直接是什麼關係呢？
在類載入器的內部實現中，用一個Java集合來存放所載入類的引用。而一個Class物件總是會引用它的類載入器，呼叫Class物件的getClassLoader()方法，就能獲得它的類載入器。所以，Class例項和載入它的載入器之間為雙向引用關係。
一個類的例項總是引用代表這個類的Class物件。在Object類中定義了getClass()方法，這個方法返回代表物件所屬類的Class物件的引用。此外，所有的Java類都有一個靜態屬性class，它引用代表這個類的Class物件。
Java虛擬機器自帶的類載入器（前面介紹的三種類載入器）在JVM執行過程中，會始終存在，而這些類載入器則會始終引用它們所載入的類的Class物件，因此這些Class物件始終是可觸及的。因此，由Java虛擬機器自帶的類載入器所載入的類，在虛擬機器的生命週期中，始終不會被解除安裝。
那麼，我們是不是就完全不能在Java程式執行過程中，動態修改我們使用的類了嗎？答案是否定的！根據上面的分析，通過Java虛擬機器自帶的類載入器載入的類無法解除安裝，我們可以自定義類載入器來載入Java程式，通過自定義類載入器載入的Java類，是可以被解除安裝的。
2.2 自定義類載入器
前面介紹到，類載入的雙親委派模型，是推薦模型，在loadClass中實現的，並不是必須使用的模型。我們可以通過自定義類載入器，直接載入我們需要的Java類，而不委託給父類載入器。
圖2.1 自定義類載入器
如上圖所示，我們有自定義的類載入器MyClassLoader，用來載入類MyClass，則在JVM中，會存在上面三類引用（上圖忽略這三種類型物件對其他的物件的引用）。如果我們將左邊的三個引用變數，均設定為null，那麼此時，已經載入的MyClass將會被解除安裝。
2.3 動態解除安裝存在的問題
動態解除安裝需要藉助於JVM的垃圾收集功能才可以做到，但是我們知道，JVM的垃圾回收，只有在堆記憶體佔用比較高的時候，才會觸發。即使我們呼叫了System.gc()，也不會立即執行垃圾回收操作，而只是告訴JVM需要執行垃圾回收，至於什麼時候垃圾回收，則要看JVM自己的垃圾回收策略。
但是我們不需要悲觀，即使動態解除安裝不是那麼牢靠，但是實現動態的Java類的熱替換還是有希望的。
3. Java類的熱替換
下面通過程式碼來介紹Java類的熱替換方法（程式碼簡陋，主要為了說明問題）：
如下面的程式碼：
首先定義一個自定義類載入器：
package zmj;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
public class FileClassLoader extends ClassLoader {
private String fileName;
public void setFileName(String fileName) {
this.fileName = fileName;
}
public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
if (name.startsWith("java")) {
return getSystemClassLoader().loadClass(name);
}
Class cls = null;
File classF = new File(fileName);
try {
cls = instantiateClass(name, new FileInputStream(classF), classF.length());
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return cls;
}
private Class instantiateClass(String name, InputStream fin, long len) throws IOException {
byte[] raw = new byte[(int) len];
fin.read(raw);
fin.close();
return defineClass(name, raw, 0, raw.length);
}
}
上面在loadClass時，先判斷類name（包含package的全限定名）是否以java開始，如果是java開始，則使用JVM自帶的類載入器載入。
然後定義一個簡單的動態載入類：
package zmj;
public class SayHello {
public void say() {
System.out.println("hello ping...");
}
}
在執行過程中，會動態修改列印內容，測試類的熱載入。
然後定義一個呼叫類：
package zmj;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ClassNotFoundException,
IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException {
while (true) {
FileClassLoader fileClassLoader = new FileClassLoader();
fileClassLoader.setFileName("D:/workspace/idea/test/class-loader-test/target/classes/zmj/SayHello.class");
Object obj = null;
obj = fileClassLoader.loadClass("zmj.SayHello").newInstance();
Method m = obj.getClass().getMethod("say", new Class[]{});
m.invoke(obj, new Object[]{});
Thread.sleep(2000);
}
}
}
當我們執行上面Main程式過程中，我們動態修改執行內容（SayHello中，從 hello zmj... 更改為 hello ping...），最終展示的內容如下：
hello zmj... hello zmj... hello zmj... hello ping... hello ping... hello ping...
4. 總結
本文主要介紹類載入器、自定義類載入器及類的載入和解除安裝等內容，並舉例介紹了Java類的熱替換實現。
其實，最近在開發專案中，需要裁剪特性，就想用pf4j來做外掛化開發，瞭解了一些類載入機制，整理一下。
主要參考《深入Java虛擬機器：JVM高階特性與最佳實踐》。
本文分享自華為雲社群《Java類動態載入和熱替換》，原文作者：maijun 。
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