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詳解Java類動(dòng)態(tài)加載和熱替換

更新時(shí)間：2021年05月18日 10:53:11 作者：華為云開(kāi)發(fā)者社區(qū)

本文主要介紹類加載器、自定義類加載器及類的加載和卸載等內(nèi)容，并舉例介紹了Java類的熱替換。

前言

最近，遇到了兩個(gè)和Java類的加載和卸載相關(guān)的問(wèn)題：

1) 是一道關(guān)于Java的判斷題：一個(gè)類被首次加載后，會(huì)長(zhǎng)期留駐JVM，直到JVM退出。這個(gè)說(shuō)法，是不是正確的？

2) 在開(kāi)發(fā)的一個(gè)集成平臺(tái)中，需要集成類似接口的多種工具，并且工具可能會(huì)有新增，同時(shí)在不同的環(huán)境部署會(huì)有裁剪（例如對(duì)外提供服務(wù)的應(yīng)用，不能提供特定的采購(gòu)的工具），如何才能更好地實(shí)現(xiàn)？

針對(duì)上面的第2點(diǎn)，我們采用Java插件化開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。上面的兩個(gè)問(wèn)題，都和Java的類加載和熱替換機(jī)制有關(guān)。

1. Java的類加載器和雙親委派模型

1.1 Java類加載器

類加載器，顧名思義，就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)類的加載操作。每個(gè)類加載器都有一個(gè)獨(dú)立的類名稱空間，就是說(shuō)每個(gè)由該類加載器加載的類，都在自己的類名稱空間，如果要比較兩個(gè)類是否“相等”，首先這兩個(gè)類必須在相同的類命名空間，即由相同的類加載器加載（即對(duì)于任何一個(gè)類，都必須由該類本身和加載它的類加載器一起確定其在JVM中的唯一性），不是同一個(gè)類加載器加載的類，不會(huì)相等。

在Java中，主要有如下的類加載器：

下面，簡(jiǎn)單介紹上面這幾種類加載器：

啟動(dòng)類加載器（Bootstrap Class Loader）：這個(gè)類使用C++開(kāi)發(fā)（所有的類加載器中，唯一使用C++開(kāi)發(fā)的類加載器），用來(lái)加載<JAVA_HOME>/lib目錄中jar和tools.jar或者使用 -Xbootclasspath 參數(shù)指定的類。
擴(kuò)展類加載器（Extension Class Loader）：定義為misc.Launcher$ExtClassLoader，用來(lái)加載<JAVA_HOME>/lib/ext目錄或者使用java.ext.dir指定的類。
應(yīng)用程序類加載器（Application Class Loader）：定義為misc.Launcher$AppClassLoader，用來(lái)加載用戶類路徑下面（classpath）下面所有的類，一般情況下，該類是應(yīng)用程序默認(rèn)的類加載器。
用戶自定義類加載器（User Class Loader）：用戶自定義類加載器，一般沒(méi)有必要，后面我們會(huì)專門來(lái)一部分介紹該類型的類加載器。

1.2 雙親委派模型

雙親委派模型，是從 Java1.2 開(kāi)始引入的一種類加載器模式，在Java中，類的加載操作通過(guò)java.lang.ClassLoader中的loadClass()方法完成，咱們首先看看該方法的實(shí)現(xiàn)（直接從Java源碼中撈出來(lái)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(jié)合上面的注釋，來(lái)解釋下雙親委派模型的內(nèi)容：

1) 接收到一個(gè)類加載請(qǐng)求后，首先判斷該類是否有加載，如果已經(jīng)加載，則直接返回；

2) 如果尚未加載，首先獲取父類加載器，如果可以獲取父類加載器，則調(diào)用父類的loadClass()方法來(lái)加載該類，如果無(wú)法獲取父類加載器，則調(diào)用啟動(dòng)器加載器來(lái)加載該類；

3) 判斷該類是否被父類加載器或者啟動(dòng)類加載器加載，如果已經(jīng)加載完成則返回，如果未成功加載，則自己嘗試來(lái)加載該類。

上面的描述，說(shuō)明了loadClass()方法的實(shí)現(xiàn)，我們進(jìn)一步對(duì)上面的步驟進(jìn)行解釋：

因?yàn)轭惣虞d器首先調(diào)父類加載器來(lái)進(jìn)行加載，從loadClass()方法的實(shí)現(xiàn)，我們知道父類加載器會(huì)嘗試調(diào)自己的父類加載器，直到啟動(dòng)類加載器，所以，任何一個(gè)類的加載，都會(huì)最終委托到啟動(dòng)類加載器來(lái)首先加載；
在前面有進(jìn)行介紹，啟動(dòng)類加載器、擴(kuò)展類加載器、應(yīng)用程序類加載器，都有自己加載的類的范圍，例如啟動(dòng)類加載器只加載JDK核心庫(kù)，因此并不是父類加載器就可以都加載成功，父類加載器無(wú)法加載（一般如上面代碼，拋出來(lái)ClassNotFoundException），此時(shí)會(huì)由自己加載。

最后啰嗦一下，再進(jìn)行一下總結(jié)：

雙親委派模型：如果一個(gè)類加載器收到類加載請(qǐng)求，會(huì)首先把加載請(qǐng)求委派給父類加載器完成，每個(gè)層次的類加載器都是這樣，最終所有的加載請(qǐng)求都傳動(dòng)到最根的啟動(dòng)類加載器來(lái)完成，如果父類加載器無(wú)法完成該加載請(qǐng)求（即自己加載的范圍內(nèi)找不到該類），子類加載器才會(huì)嘗試自己加載。

這樣的雙親委派模型有個(gè)好處：就是所有的類都盡可能由頂層的類加載器加載，保證了加載的類的唯一性，如果每個(gè)類都隨機(jī)由不同的類加載器加載，則類的實(shí)現(xiàn)關(guān)系無(wú)法保證，對(duì)于保證Java程序的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

2. Java的類動(dòng)態(tài)加載和卸載

2.1 Java類的卸載

在Java中，每個(gè)類都有相應(yīng)的Class Loader，同樣的，每個(gè)實(shí)例對(duì)象也會(huì)有相應(yīng)的類，當(dāng)滿足如下三個(gè)條件時(shí)，JVM就會(huì)卸載這個(gè)類：

1) 該類所有實(shí)例對(duì)象不可達(dá)

2) 該類的Class對(duì)象不可達(dá)

3) 該類的Class Loader不可達(dá)

那么，上面示例對(duì)象、Class對(duì)象和類的Class Loader直接是什么關(guān)系呢？

在類加載器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)中，用一個(gè)Java集合來(lái)存放所加載類的引用。而一個(gè)Class對(duì)象總是會(huì)引用它的類加載器，調(diào)用Class對(duì)象的getClassLoader()方法，就能獲得它的類加載器。所以，Class實(shí)例和加載它的加載器之間為雙向引用關(guān)系。

一個(gè)類的實(shí)例總是引用代表這個(gè)類的Class對(duì)象。在Object類中定義了getClass()方法，這個(gè)方法返回代表對(duì)象所屬類的Class對(duì)象的引用。此外，所有的Java類都有一個(gè)靜態(tài)屬性class，它引用代表這個(gè)類的Class對(duì)象。

Java虛擬機(jī)自帶的類加載器（前面介紹的三種類加載器）在JVM運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)始終存在，而這些類加載器則會(huì)始終引用它們所加載的類的Class對(duì)象，因此這些Class對(duì)象始終是可觸及的。因此，由Java虛擬機(jī)自帶的類加載器所加載的類，在虛擬機(jī)的生命周期中，始終不會(huì)被卸載。

那么，我們是不是就完全不能在Java程序運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)態(tài)修改我們使用的類了嗎？答案是否定的！根據(jù)上面的分析，通過(guò)Java虛擬機(jī)自帶的類加載器加載的類無(wú)法卸載，我們可以自定義類加載器來(lái)加載Java程序，通過(guò)自定義類加載器加載的Java類，是可以被卸載的。

2.2 自定義類加載器

前面介紹到，類加載的雙親委派模型，是推薦模型，在loadClass中實(shí)現(xiàn)的，并不是必須使用的模型。我們可以通過(guò)自定義類加載器，直接加載我們需要的Java類，而不委托給父類加載器。

如上圖所示，我們有自定義的類加載器MyClassLoader，用來(lái)加載類MyClass，則在JVM中，會(huì)存在上面三類引用（上圖忽略這三種類型對(duì)象對(duì)其他的對(duì)象的引用）。如果我們將左邊的三個(gè)引用變量，均設(shè)置為null，那么此時(shí)，已經(jīng)加載的MyClass將會(huì)被卸載。

2.3 動(dòng)態(tài)卸載存在的問(wèn)題

動(dòng)態(tài)卸載需要借助于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，只有在堆內(nèi)存占用比較高的時(shí)候，才會(huì)觸發(fā)。即使我們調(diào)用了System.gc()，也不會(huì)立即執(zhí)行垃圾回收操作，而只是告訴JVM需要執(zhí)行垃圾回收，至于什么時(shí)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(dòng)態(tài)卸載不是那么牢靠，但是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的Java類的熱替換還是有希望的。

3. Java類的熱替換

下面通過(guò)代碼來(lái)介紹Java類的熱替換方法（代碼簡(jiǎn)陋，主要為了說(shuō)明問(wèn)題）：

如下面的代碼：

首先定義一個(gè)自定義類加載器：

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(shí)，先判斷類name（包含package的全限定名）是否以java開(kāi)始，如果是java開(kāi)始，則使用JVM自帶的類加載器加載。

然后定義一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)加載類：

package zmj;

public class SayHello {
    public void say() {
        System.out.println("hello ping...");
    }
}

在執(zhí)行過(guò)程中，會(huì)動(dòng)態(tài)修改打印內(nèi)容，測(cè)試類的熱加載。

然后定義一個(gè)調(diào)用類：

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(dāng)我們運(yùn)行上面Main程序過(guò)程中，我們動(dòng)態(tài)修改執(zhí)行內(nèi)容（SayHello中，從 hello zmj... 更改為 hello ping...），最終展示的內(nèi)容如下：