Java熱部署深入探索

1、簡(jiǎn)介在java開發(fā)領(lǐng)域，熱部署一直是一個(gè)難以解決的問題，口前的java虛擬機(jī)只能實(shí)現(xiàn)方法 體的修改熱部署，對(duì)于整個(gè)類的結(jié)構(gòu)修改，仍然需要重啟虛擬機(jī)，對(duì)類重新加載才能完成更 新操作。對(duì)于某些人型的應(yīng)用來說，每次的重啟都需要花費(fèi)人量的時(shí)間成本。雖然osgi架 構(gòu)的出現(xiàn)，讓模塊垂啟成為可能，但是如果模塊之間冇調(diào)川關(guān)系的話，這樣的操作依然會(huì)讓 應(yīng)用出現(xiàn)用桝的功能性休克。本文將探索如何在不破壞java虛擬機(jī)現(xiàn)有行為的前提下，實(shí) 現(xiàn)某個(gè)單一類的熱部署，讓系統(tǒng)無需重啟就完成某個(gè)類的更新。類加載的探索首先談一下何為熱部署(hotswap),熱部署是在不重啟java虛擬機(jī)的前提下，能占動(dòng)偵 測(cè)到class文件的

2、變化，更新運(yùn)行時(shí)class的行為。java類是通過java虛擬機(jī)加載的，某 個(gè)類的class文件在被classloadcr加載后,會(huì)生成對(duì)應(yīng)的class對(duì)象,之后就可以創(chuàng)建該 類的實(shí)例。默認(rèn)的虛擬機(jī)行為只會(huì)在啟動(dòng)時(shí)加載類，如果后期有一個(gè)類需要更新的話，單純 替換編譯的class文件，java虛擬機(jī)是不會(huì)更新正在運(yùn)行的class。如果要實(shí)現(xiàn)熱部署，最 根木的方式是修改虛擬機(jī)的源代碼，改變classloader的加載行為，使虛擬機(jī)能監(jiān)聽class文 件的更新，重新加載class文件，這樣的行為破壞性很大，為后續(xù)的jvm升級(jí)埋下了一個(gè) 大坑。另一種友好的方法是創(chuàng)建自己的classloader來加載需

3、要監(jiān)聽的class,這樣就能控制類加 載的時(shí)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)熱部署。本文將具體探索如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案。首先需要了解一下java虛 擬機(jī)現(xiàn)冇的加載機(jī)制。冃前的加載機(jī)制，稱為雙親委派，系統(tǒng)在使用一個(gè)classloader來加 載類時(shí)，會(huì)先詢問當(dāng)前classloadcr的父類是否冇能力加載，如果父類無法實(shí)現(xiàn)加載操作， 才會(huì)將任務(wù)下放到該classloader來加載。這種自上而下的加載方式的好處是，讓每個(gè) classloadcr執(zhí)行自己的加載任務(wù)，不會(huì)重復(fù)加載類。但是這種方式卻使加載順序非常難改變, 讓自定義classloader搶先加載需要監(jiān)聽改變的類成為了一個(gè)難題。不過我們可以換一個(gè)思路，雖然無法搶先加

4、載該類，但是仍然口j以川自定義classloader創(chuàng) 建一個(gè)功能相同的類，訃每次實(shí)例化的對(duì)象都指向這個(gè)新的類。當(dāng)這個(gè)類的class文件發(fā)& 改變的時(shí)候，再次創(chuàng)建一個(gè)更新的類，之后如果系統(tǒng)再次發(fā)出實(shí)例化請(qǐng)求，創(chuàng)建的対象講指 向這個(gè)全新的類。卜而來簡(jiǎn)單列舉一下需要做的工作。創(chuàng)建口定義的classloader,加載需要監(jiān)聽改變的類，在class文件發(fā)生改變的吋候，重 新加載該類。改變創(chuàng)建對(duì)象的行為，使他們?cè)趧?chuàng)建時(shí)使用自定義classloader加載的classo自定義加載器的實(shí)現(xiàn)自定義加載器仍然需要執(zhí)行類加載的功能。這里卻存在一個(gè)問題，同一個(gè)類加載器無法同時(shí) 加載兩個(gè)相同名稱的類，由于不論

5、類的結(jié)構(gòu)如何發(fā)生變化，生成的類名不會(huì)變，而classloader 只能在虛擬機(jī)停止前銷毀已經(jīng)加載的類，這樣classloader就無法加載更新后的類了。這里 有一個(gè)小技巧，讓每次加載的類都保存成一個(gè)帶有版本信息的class,比如加載test.class吋, 保存在內(nèi)存中的類杲test_vl.class,當(dāng)類發(fā)生改變時(shí)，重新加載的類名是test_v2.classo但 是真止執(zhí)行加載class文件創(chuàng)建class的dcfincclass方法是一個(gè)native的方法，修改起來 又變得很因難。所以面前還剩一條路，那就是直接修改編譯生成的class文件。利用asm修改class文件 可以修改字節(jié)碼的框架有

6、很多，比如asm, cglibo本文使用的是asmo先來介紹一下 class文件的結(jié)構(gòu)，class文件包含了以下兒類信息，一個(gè)是類的基本信息，包含了訪問權(quán)限 信息，類名信息，父類信息，接口信息。第二個(gè)是類的變量信息。第三個(gè)是方法的信息。asm會(huì)先加載一個(gè)class文件，然后嚴(yán)格順序讀取類的各項(xiàng)信息，用戶可以按照自己的意 愿定義增強(qiáng)組件修改這些信息，最后輸出成一個(gè)新的classo首先看一下如何利用asm修改類信息。清單1.利用asm修改字節(jié)碼classwriter cw = new classwriter(classwriter.<em>compute_maxs</em>

7、)；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 ( h . u , 11 /11) / enhancedclassna

8、me replace(” ” # " /n);craccept(cvz 0)；asm修改字節(jié)碼文件的流程是一個(gè)責(zé)任鏈模式，首先使用一個(gè)classreader讀入字節(jié)碼, 然后利用classvisitor做個(gè)性化的修改,最后利用classwritcr輸出修改后的字節(jié)碼。z前提過，盂要將讀取的class文件的類名做一些修改，加載成一個(gè)全新名字的派生類。這 里將z分為了 2個(gè)步驟。笫一步，先將原來的類變成接口。清單2.重定義的原始類public class?&gt； redefineclass(string classname)classwriter cw = new classw

9、riter(classwritervem>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 class

10、modifier(cw)； craccept(cm, 0)；byte code = cw.tobytearray()；return defineclass(classname, coder 0, code.length)；首先load原始類的class文件，此處定義了一個(gè)增強(qiáng)纟fl件classmodifier,作用是修改原 始類的類型，將它轉(zhuǎn)換成接口。原始類的所有方法邏輯都會(huì)被去掉。第二步，生成的派生類都實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口，即原始類，并且復(fù)制原始類中的所有方法邏輯。z 后如果該類需要更新，會(huì)生成一個(gè)新的派住類，也會(huì)實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口。這樣做的目的是不論如 何修改，同一個(gè)class的派生類都有一個(gè)共同的接口

11、，他們之間的轉(zhuǎn)換變得對(duì)外不透明。清單3.定義一個(gè)派生類/在class文件發(fā)生改變時(shí)重新定義這個(gè)類private class?&gt； redefineclass(string classname, classsource classso urce)classwriter cw = new classwriter(classwriter.vem>compute_maxs</em>)；classreader cr = null ；classsource.update()；string enhancedc1assname = classsource getenhancedn

12、ame()；try cr = new classreader (new fileinputstreamclasssource.g巳tfile()； catch (ioexception e) e.printstacktrace()；return null；enhancedmodi f ier em = new enhancedmodifier(cw, classname replace("enhancedclassname replace（” "，”/"）;extendmodifier exm = new extendmodifier(em, classname.

13、replace(”n/"),enhancedclassname. replace (” 11, " /n);cr.accept(exm, 0)；byte code = cw.tobytearray()；classsource setbytecopy(code)；class?&gt； clazz = defineclass(enhancedclassname, code, 0, code len gth)；classsource.setclasscopy(clazz)；return clazz；再次load原始類的class文件，此處定義了兩個(gè)增強(qiáng)組件,一個(gè)是enha

14、ncedmodifier, 這個(gè)增強(qiáng)組件的作用是改變?cè)械念惷?。第二個(gè)增強(qiáng)組件是extendmodifier,這個(gè)增強(qiáng)組 件的作川是改變?cè)蓄惖母割悾屵@個(gè)修改后的派牛類能夠?qū)崿F(xiàn)同一個(gè)原始類(此時(shí)原始類 已經(jīng)轉(zhuǎn)成接口了)。自定義classloader還冇一個(gè)作川是監(jiān)聽會(huì)發(fā)生改變的class文件，classloader會(huì)管理一個(gè) 定時(shí)器，定吋依次掃描這些class文件是否改變。改變創(chuàng)建對(duì)象的行為java虛擬機(jī)常見的創(chuàng)建對(duì)象的方法有兩種，一種是靜態(tài)創(chuàng)建，直接new 個(gè)對(duì)象，一種是 動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，通過反射的方法，創(chuàng)建對(duì)象。由于已經(jīng)在白定義加載器屮更改了原有類的類型，把它從類改成了接口，所以這兩種創(chuàng)建方

15、法都無法成立。我們要做的是將實(shí)例化原始類的行為變成實(shí)例化派生類。對(duì)于第一種方法，需要做的是將靜態(tài)創(chuàng)建，變?yōu)橥ㄟ^classloader獲取class,然后動(dòng)態(tài)創(chuàng)建 該對(duì)象。清單4.替換后的指令集所對(duì)應(yīng)的邏輯 /原始邏輯greeter p = new greeter()；/改變后的邏輯igreeter p = (igreeter)myclassloadervem>getlnstance</em>().f indclass (ncom已xampl已grg0ter,') .newlnstance ()；這里又需要用到asm來修改class文件了。查找到所冇new對(duì)象的語句，替

16、換成通過 classloader的形式來獲取對(duì)彖的形式。清單5.利用asm修改方法體©overridepublic void visittypelnsn(int opcode, string type) if(opcode=opcodes.<em>new</em> &amp；&amp； type.equals(classname)list；locaavariablenode&gt; variables = node localvariablec);string compiletype = null ；for(int i = 0;i&am

17、p;it/variables size()；i + +)local variablenode local variable = variables get:(i)；compiletype = <em>formtype</em> (localvariable. desedi ) if (matchtype (compiletype) &amp； &amp； ! valiablelndexus valiablelndexusedi = true;break；mv.visitmethodlnsn(opcodes vemalnvokestaticv/em, &l

18、t;em>classload_type</em> z,getlnstancen , n ) l,+<em>classload_type</em>+n ； n )；mv< visitldcinsn (type replace (11 /11 / n.n);mv.visitmethodlnsn(opcodes vemainvokevirtualv/em> z <em>classload_typ e</em>,hf indclass11 f h (ljava/lang/string；) ljava/lang/class;1

19、1);mv visitmethodlnsn (opcodes. <em>invokevirtual</em> z n j ava/lang/classii/hnewlnstance'1, n () ljava/lang/object ；n);mv.visittypeinsn(opcodes vemacheckcastv/em, compiletype)；flag = true； else mv.visittypelnsn(opcoder type);對(duì)十第二種創(chuàng)建方法，需要通過修改class . f orname )和classloader. f indclas

20、s ()的彳丁為, 使他們通過口定義加載器加載類。使用javaagent攔截默認(rèn)加載器的行為之前實(shí)現(xiàn)的類加載器已經(jīng)解決了熱部署所需要的功能，可是jvm啟動(dòng)時(shí)，并不會(huì)用自定 義的加載器加載classpath下的所有class文件，取而代z的是通過應(yīng)用加載器去加載。如 果在其z后川自定義加載器重新加載已經(jīng)加載的class,冇可能會(huì)出現(xiàn)linkageerror的 exceptiono所以必須在應(yīng)用啟動(dòng)z前，重新替換已經(jīng)加載的class如果在jdkl.4 z前，能 使用的方法只有一種，改變jdk中classloader的加載彳亍為，使它指向自定義加載器的加載 行為。好在jdk5.0之后，我們有了另一種

21、侵略性更小的辦法，這就是javaagent方法， javaagent nj'以在jvm啟動(dòng)z后，應(yīng)用啟動(dòng)z前的短暫間隙，提供空間給用戶做一些特姝 行為。比較常見的應(yīng)用，是利用javaagent做而向方而的編程，在方法間加入監(jiān)控日志等。javaagent的實(shí)現(xiàn)很容易，只要在一個(gè)類里而，定義一個(gè)premain的方法。清單6. 一個(gè)簡(jiǎn)單的javaagentpublic class reloadagent public static void premain(string agentargs, lnstrumentatio n inst)generaltransformer trans = n

22、ew generaltransformer()；inst.addtransform已工(trans)；然后編寫一個(gè)manifest文件，將premain-class屬性設(shè)置成定義一個(gè)擁冇premain方法的 類名即可。生成一個(gè)包含這個(gè)manifest文件的jar包。manifest-version: 10premain-class: com.example reloadagentcan-redefine-classes: true最后需要在執(zhí)行應(yīng)用的參數(shù)中增加- javaagent參數(shù)，加入這個(gè)jar。同時(shí)可以為 javaagent增加參數(shù)，下圖中的參數(shù)是測(cè)試代碼中test project的絕

23、対路徑。這樣在執(zhí)行應(yīng) 用的z前，會(huì)優(yōu)先執(zhí)行prewin方法中的邏輯，并且預(yù)解析需要加載的classo 圖1.增加執(zhí)行參數(shù)name test (1)q main (心 arguments 禺 jre% classpath耳/ source髡 environmenti e commonprogram arguments:vm arguments:-javaagent:c:/reloadagentjar=gwork5pacereload_cla55這里利m javaagent替換原始字節(jié)碼，阻止原始字節(jié)碼被java虛擬機(jī)加載。只需要實(shí)現(xiàn) 個(gè)classfiletransformer的接口,利丿ij這個(gè)

24、實(shí)現(xiàn)類完成class替換的功能。清單7.替換class©overridepublic byte transform(classloader paramclassloader, string paramstring,class；?&gt； paramclass. protectiondomain paramprotectiondomain,byte paramarrayofbyte) throws illegalclassformatexception string classname = paramstringreplace ,"u)；if(classnameequals("com.example.test")myclassloader cl