深入探索 Java 熱部署

在 Java 開發領域，熱部署一直是一個難以解決的問題，目前的 Java 虛拟機隻能實作方法體的修改熱部署，對于整個類的結構修改，仍然需要重新開機虛拟機，對類重新加載才能完成更新操作。對于某些大型的應用來說，每次的重新開機都需要花費大量的時間成本。雖然 osgi 架構的出現，讓子產品重新開機成為可能，但是如果子產品之間有調用關系的話，這樣的操作依然會讓應用出現短暫的功能性休克。本文将探索如何在不破壞 Java 虛拟機現有行為的前提下，實作某個單一類的熱部署，讓系統無需重新開機就完成某個類的更新。

類加載的探索

首先談一下何為熱部署（hotswap），熱部署是在不重新開機 Java 虛拟機的前提下，能自動偵測到 class 檔案的變化，更新運作時 class 的行為。Java 類是通過 Java 虛拟機加載的，某個類的 class 檔案在被 classloader 加載後，會生成對應的 Class 對象，之後就可以建立該類的執行個體。預設的虛拟機行為隻會在啟動時加載類，如果後期有一個類需要更新的話，單純替換編譯的 class 檔案，Java 虛拟機是不會更新正在運作的 class。如果要實作熱部署，最根本的方式是修改虛拟機的源代碼，改變 classloader 的加載行為，使虛拟機能監聽 class 檔案的更新，重新加載 class 檔案，這樣的行為破壞性很大，為後續的 JVM 更新埋下了一個大坑。

另一種友好的方法是建立自己的 

classloader

 來加載需要監聽的 class，這樣就能控制類加載的時機，進而實作熱部署。本文将具體探索如何實作這個方案。首先需要了解一下 Java 虛拟機現有的加載機制。目前的加載機制，稱為雙親委派，系統在使用一個 

classloader

 來加載類時，會先詢問目前 

classloader

 的父類是否有能力加載，如果父類無法實作加載操作，才會将任務下放到該 

classloader

 來加載。這種自上而下的加載方式的好處是，讓每個 

classloader

 執行自己的加載任務，不會重複加載類。但是這種方式卻使加載順序非常難改變，讓自定義 

classloader

 搶先加載需要監聽改變的類成為了一個難題。

不過我們可以換一個思路，雖然無法搶先加載該類，但是仍然可以用自定義 classloader 建立一個功能相同的類，讓每次執行個體化的對象都指向這個新的類。當這個類的 class 檔案發生改變的時候，再次建立一個更新的類，之後如果系統再次發出執行個體化請求，建立的對象講指向這個全新的類。

下面來簡單列舉一下需要做的工作。

建立自定義的 classloader，加載需要監聽改變的類，在 class 檔案發生改變的時候，重新加載該類。
改變建立對象的行為，使他們在建立時使用自定義 classloader 加載的 class。           

自定義加載器的實作

自定義加載器仍然需要執行類加載的功能。這裡卻存在一個問題，同一個類加載器無法同時加載兩個相同名稱的類，由于不論類的結構如何發生變化，生成的類名不會變，而 classloader 隻能在虛拟機停止前銷毀已經加載的類，這樣 classloader 就無法加載更新後的類了。這裡有一個小技巧，讓每次加載的類都儲存成一個帶有版本資訊的 class，比如加載 Test.class 時，儲存在記憶體中的類是 Test_v1.class，當類發生改變時，重新加載的類名是 Test_v2.class。但是真正執行加載 class 檔案建立 class 的 defineClass 方法是一個 native 的方法，修改起來又變得很困難。是以面前還剩一條路，那就是直接修改編譯生成的 class 檔案。

利用 ASM 修改 class 檔案

可以修改位元組碼的架構有很多，比如 ASM，CGLIB。本文使用的是 ASM。先來介紹一下 class 檔案的結構，class 檔案包含了以下幾類資訊:

第一個是類的基本資訊，包含了通路權限資訊，類名資訊，父類資訊，接口資訊。

第二個是類的變量資訊。

第三個是方法的資訊。

ASM 會先加載一個 class 檔案，然後嚴格順序讀取類的各項資訊，使用者可以按照自己的意願定義增強元件修改這些資訊，最後輸出成一個新的 class。

首先看一下如何利用 ASM 修改類資訊。

清單 1. 利用 ASM 修改位元組碼

ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS); 
    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 修改位元組碼檔案的流程是一個責任鍊模式，首先使用一個 ClassReader 讀入位元組碼，然後利用 ClassVisitor 做個性化的修改，最後利用 ClassWriter 輸出修改後的位元組碼。

之前提過，需要将讀取的 class 檔案的類名做一些修改，加載成一個全新名字的派生類。這裡将之分為了 2 個步驟。

第一步，先将原來的類變成接口。

清單 2. 重定義的原始類

public Class<?> redefineClass(String className){ 
    ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS); 
    ClassReader cr = null; 
    ClassSource cs = classFiles.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