Java类动态加载和热替换

最近，遇到了两个和Java类的加载和卸载相关的问题：

1) 是一道关于Java的判断题：一个类被首次加载后，会长期留驻JVM，直到JVM退出。这个说法，是不是正确的？

2) 在开发的一个集成平台中，需要集成类似接口的多种工具，并且工具可能会有新增，同时在不同的环境部署会有裁剪（例如对外提供服务的应用，不能提供特定的采购的工具），如何才能更好地实现？

针对上面的第2点，我们采用Java插件化开发实现。上面的两个问题，都和Java的类加载和热替换机制有关。

1.    Java的类加载器和双亲委派模型

1.1 Java类加载器

类加载器，顾名思义，就是用来实现类的加载操作。每个类加载器都有一个独立的类名称空间，就是说每个由该类加载器加载的类，都在自己的类名称空间，如果要比较两个类是否“相等”，首先这两个类必须在相同的类命名空间，即由相同的类加载器加载（即对于任何一个类，都必须由该类本身和加载它的类加载器一起确定其在JVM中的唯一性），不是同一个类加载器加载的类，不会相等。

在Java中，主要有如下的类加载器：

图1.1 Java类加载器

下面，简单介绍上面这几种类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：这个类使用C++开发（所有的类加载器中，唯一使用C++开发的类加载器），用来加载<JAVA_HOME>/lib目录中jar和tools.jar或者使用 -Xbootclasspath 参数指定的类。
• 扩展类加载器（Extension Class Loader）：定义为misc.Launcher$ExtClassLoader，用来加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录或者使用java.ext.dir指定的类。
• 应用程序类加载器（Application Class Loader）：定义为misc.Launcher$AppClassLoader，用来加载用户类路径下面（classpath）下面所有的类，一般情况下，该类是应用程序默认的类加载器。
• 用户自定义类加载器（User Class Loader）：用户自定义类加载器，一般没有必要，后面我们会专门来一部分介绍该类型的类加载器。

1.2 双亲委派模型

双亲委派模型，是从 Java1.2 开始引入的一种类加载器模式，在Java中，类的加载操作通过java.lang.ClassLoader中的loadClass()方法完成，咱们首先看看该方法的实现（直接从Java源码中捞出来的）：

    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;
        }
    }

我们结合上面的注释，来解释下双亲委派模型的内容：

1) 接收到一个类加载请求后，首先判断该类是否有加载，如果已经加载，则直接返回；

2) 如果尚未加载，首先获取父类加载器，如果可以获取父类加载器，则调用父类的loadClass()方法来加载该类，如果无法获取父类加载器，则调用启动器加载器来加载该类；

3) 判断该类是否被父类加载器或者启动类加载器加载，如果已经加载完成则返回，如果未成功加载，则自己尝试来加载该类。

上面的描述，说明了loadClass()方法的实现，我们进一步对上面的步骤进行解释：

• 因为类加载器首先调父类加载器来进行加载，从loadClass()方法的实现，我们知道父类加载器会尝试调自己的父类加载器，直到启动类加载器，所以，任何一个类的加载，都会最终委托到启动类加载器来首先加载；
• 在前面有进行介绍，启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器，都有自己加载的类的范围，例如启动类加载器只加载JDK核心库，因此并不是父类加载器就可以都加载成功，父类加载器无法加载（一般如上面代码，抛出来ClassNotFoundException），此时会由自己加载。

最后啰嗦一下，再进行一下总结：

双亲委派模型：如果一个类加载器收到类加载请求，会首先把加载请求委派给父类加载器完成，每个层次的类加载器都是这样，最终所有的加载请求都传动到最根的启动类加载器来完成，如果父类加载器无法完成该加载请求（即自己加载的范围内找不到该类），子类加载器才会尝试自己加载。

这样的双亲委派模型有个好处：就是所有的类都尽可能由顶层的类加载器加载，保证了加载的类的唯一性，如果每个类都随机由不同的类加载器加载，则类的实现关系无法保证，对于保证Java程序的稳定运行意义重大。

2.    Java的类动态加载和卸载

2.1 Java类的卸载

在Java中，每个类都有相应的Class Loader，同样的，每个实例对象也会有相应的类，当满足如下三个条件时，JVM就会卸载这个类：

1) 该类所有实例对象不可达

2) 该类的Class对象不可达

3) 该类的Class Loader不可达

那么，上面示例对象、Class对象和类的Class Loader直接是什么关系呢？

在类加载器的内部实现中，用一个Java集合来存放所加载类的引用。而一个Class对象总是会引用它的类加载器，调用Class对象的getClassLoader()方法，就能获得它的类加载器。所以，Class实例和加载它的加载器之间为双向引用关系。

一个类的实例总是引用代表这个类的Class对象。在Object类中定义了getClass()方法，这个方法返回代表对象所属类的Class对象的引用。此外，所有的Java类都有一个静态属性class，它引用代表这个类的Class对象。

Java虚拟机自带的类加载器（前面介绍的三种类加载器）在JVM运行过程中，会始终存在，而这些类加载器则会始终引用它们所加载的类的Class对象，因此这些Class对象始终是可触及的。因此，由Java虚拟机自带的类加载器所加载的类，在虚拟机的生命周期中，始终不会被卸载。

那么，我们是不是就完全不能在Java程序运行过程中，动态修改我们使用的类了吗？答案是否定的！根据上面的分析，通过Java虚拟机自带的类加载器加载的类无法卸载，我们可以自定义类加载器来加载Java程序，通过自定义类加载器加载的Java类，是可以被卸载的。

2.2 自定义类加载器

前面介绍到，类加载的双亲委派模型，是推荐模型，在loadClass中实现的，并不是必须使用的模型。我们可以通过自定义类加载器，直接加载我们需要的Java类，而不委托给父类加载器。

图2.1 自定义类加载器

如上图所示，我们有自定义的类加载器MyClassLoader，用来加载类MyClass，则在JVM中，会存在上面三类引用（上图忽略这三种类型对象对其他的对象的引用）。如果我们将左边的三个引用变量，均设置为null，那么此时，已经加载的MyClass将会被卸载。

2.3 动态卸载存在的问题

动态卸载需要借助于JVM的垃圾收集功能才可以做到，但是我们知道，JVM的垃圾回收，只有在堆内存占用比较高的时候，才会触发。即使我们调用了System.gc()，也不会立即执行垃圾回收操作，而只是告诉JVM需要执行垃圾回收，至于什么时候垃圾回收，则要看JVM自己的垃圾回收策略。

但是我们不需要悲观，即使动态卸载不是那么牢靠，但是实现动态的Java类的热替换还是有希望的。

3.    Java类的热替换

下面通过代码来介绍Java类的热替换方法（代码简陋，主要为了说明问题）：

如下面的代码：

首先定义一个自定义类加载器：

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时，先判断类name（包含package的全限定名）是否以java开始，如果是java开始，则使用JVM自带的类加载器加载。

然后定义一个简单的动态加载类：

package zmj;

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

在执行过程中，会动态修改打印内容，测试类的热加载。

然后定义一个调用类：

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);
        }
    }
}

 当我们运行上面Main程序过程中，我们动态修改执行内容（SayHello中，从 hello zmj... 更改为 hello ping...），最终展示的内容如下：

hello zmj...
hello zmj...
hello zmj...
hello ping...
hello ping...
hello ping...

4.    总结

本文主要介绍类加载器、自定义类加载器及类的加载和卸载等内容，并举例介绍了Java类的热替换实现。

其实，最近在开发项目中，需要裁剪特性，就想用pf4j来做插件化开发，了解了一些类加载机制，整理一下。

主要参考《深入Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》。