class卸载热替换和Tomcat的热部署的分析

Posted 2020-08-19 竹山一叶

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了class卸载热替换和Tomcat的热部署的分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

这篇文章主要是分析Tomcat中关于热部署和JSP更新替换的原理，在此之前先介绍class的热替换和class的卸载的原理。

一 class的热替换
ClassLoader中重要的方法

loadClass

ClassLoader.loadClass(...) 是ClassLoader的入口点。当一个类没有指明用什么加载器加载的时候，JVM默认采用AppClassLoader加载器加载没有加载过的class，调用的方法的入口就是loadClass(...)。如果一个class被自定义的ClassLoader加载，那么JVM也会调用这个自定义的ClassLoader.loadClass(...)方法来加载class内部引用的一些别的class文件。重载这个方法，能实现自定义加载class的方式，抛弃双亲委托机制，但是即使不采用双亲委托机制，比如java.lang包中的相关类还是不能自定义一个同名的类来代替，主要因为JVM解析、验证class的时候，会进行相关判断。

defineClass

系统自带的ClassLoader，默认加载程序的是AppClassLoader，ClassLoader加载一个class，最终调用的是defineClass(...)方法，这时候就在想是否可以重复调用defineClass(...)方法加载同一个类(或者修改过)，最后发现调用多次的话会有相关错误:

...

java.lang.LinkageError

attempted duplicate class definition
...

所以一个class被一个ClassLoader实例加载过的话，就不能再被这个ClassLoader实例再次加载(这里的加载指的是，调用了defileClass(...)放方法，重新加载字节码、解析、验证。)。而系统默认的AppClassLoader加载器，他们内部会缓存加载过的class，重新加载的话，就直接取缓存。所与对于热加载的话，只能重新创建一个ClassLoader，然后再去加载已经被加载过的class文件。

下面看一个class热加载的例子：
代码：HotSwapURLClassLoader自定义classloader，实现热替换的关键

1 package testjvm.testclassloader;
  2
  3 import java.io.File;
  4 import java.io.FileNotFoundException;
  5 import java.net.MalformedURLException;
  6 import java.net.URL;
  7 import java.net.URLClassLoader;
  8 import java.util.HashMap;
  9 import java.util.Map;
10
11 /**
12  * 只要功能是重新加载更改过的.class文件，达到热替换的作用
13  * @author banana
14  */
15 public class HotSwapURLClassLoader extends URLClassLoader {
16     //缓存加载class文件的最后最新修改时间
17     public static Map<String,Long> cacheLastModifyTimeMap = new HashMap<String,Long>();
18     //工程class类所在的路径
19     public static String projectClassPath = "D:/Ecpworkspace/ZJob-Note/bin/";
20     //所有的测试的类都在同一个包下
21     public static String packagePath = "testjvm/testclassloader/";
22
23     private static HotSwapURLClassLoader hcl = new HotSwapURLClassLoader();
24
25     public HotSwapURLClassLoader() {
26         //设置ClassLoader加载的路径
27         super(getMyURLs());
28     }
29
30     public static HotSwapURLClassLoader  getClassLoader(){
31         return hcl;
32     }
33
34     private static  URL[] getMyURLs(){
35         URL url = null;
36         try {
37             url = new File(projectClassPath).toURI().toURL();
38         } catch (MalformedURLException e) {
39             e.printStackTrace();
40         }
41         return new URL[] { url };
42     }
43
44     /**
45      * 重写loadClass，不采用双亲委托机制("java."开头的类还是会由系统默认ClassLoader加载)
46      */
47     @Override
48     public Class<?> loadClass(String name,boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
49         Class clazz = null;
50         //查看HotSwapURLClassLoader实例缓存下，是否已经加载过class
51         //不同的HotSwapURLClassLoader实例是不共享缓存的
52         clazz = findLoadedClass(name);
53         if (clazz != null ) {
54             if (resolve){
55                 resolveClass(clazz);
56             }
57             //如果class类被修改过，则重新加载
58             if (isModify(name)) {
59                 hcl = new HotSwapURLClassLoader();
60                 clazz = customLoad(name, hcl);
61             }
62             return (clazz);
63         }
64
65         //如果类的包名为"java."开始，则有系统默认加载器AppClassLoader加载
66         if(name.startsWith("java.")){
67             try {
68                 //得到系统默认的加载cl，即AppClassLoader
69                 ClassLoader system = ClassLoader.getSystemClassLoader();
70                 clazz = system.loadClass(name);
71                 if (clazz != null) {
72                     if (resolve)
73                         resolveClass(clazz);
74                     return (clazz);
75                 }
76             } catch (ClassNotFoundException e) {
77                 // Ignore
78             }
79         }
80
81         return customLoad(name,this);
82     }
83
84     public Class load(String name) throws Exception{
85         return loadClass(name);
86     }
87
88     /**
89      * 自定义加载
90      * @param name
91      * @param cl
92      * @return
93      * @throws ClassNotFoundException
94      */
95     public Class customLoad(String name,ClassLoader cl) throws ClassNotFoundException {
96         return customLoad(name, false,cl);
97     }
98
99     /**
100      * 自定义加载
101      * @param name
102      * @param resolve
103      * @return
104      * @throws ClassNotFoundException
105      */
106     public Class customLoad(String name, boolean resolve,ClassLoader cl)
107             throws ClassNotFoundException {
108         //findClass(

)调用的是URLClassLoader里面重载了ClassLoader的findClass(

)方法
109         Class clazz = ((HotSwapURLClassLoader)cl).findClass(name);
110         if (resolve)
111             ((HotSwapURLClassLoader)cl).resolveClass(clazz);
112         //缓存加载class文件的最后修改时间
113         long lastModifyTime = getClassLastModifyTime(name);
114         cacheLastModifyTimeMap.put(name,lastModifyTime);
115         return clazz;
116     }
117
118     public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
119         return loadClass(name,false);
120     }
121
122     @Override
123     protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
124         // TODO Auto-generated method stub
125         return super.findClass(name);
126     }
127
128     /**
129      * @param name
130      * @return .class文件最新的修改时间
131      */
132     private long getClassLastModifyTime(String name){
133         String path = getClassCompletePath(name);
134         File file = new File(path);
135         if(!file.exists()){
136             throw new RuntimeException(new FileNotFoundException(name));
137         }
138         return file.lastModified();
139     }
140
141     /**
142      * 判断这个文件跟上次比是否修改过
143      * @param name
144      * @return
145      */
146     private boolean isModify(String name){
147         long lastmodify = getClassLastModifyTime(name);
148         long previousModifyTime = cacheLastModifyTimeMap.get(name);
149         if(lastmodify>previousModifyTime){
150             return true;
151         }
152         return false;
153     }
154
155     /**
156      * @param name
157      * @return .class文件的完整路径 (e.g. E:/A.class)
158      */
159     private String getClassCompletePath(String name){
160         String simpleName = name.substring(name.lastIndexOf(".")+1);
161         return projectClassPath+packagePath+simpleName+".class";
162     }
163
164 }
165

代码：Hot被用来修改的类

1 package testjvm.testclassloader;
2
3 public class Hot {
4     public void hot(){
5         System.out.println(" version 1 : "+this.getClass().getClassLoader());
6     }
7 }
8

代码：TestHotSwap测试类

1 package testjvm.testclassloader;
2
3 import java.lang.reflect.Method;
4
5 public class TestHotSwap {
6
7     public static void main(String[] args) throws Exception {
8         //开启线程，如果class文件有修改，就热替换
9         Thread t = new Thread(new MonitorHotSwap());
10         t.start();
11     }
12 }
13
14 class MonitorHotSwap implements Runnable {
15     // Hot就是用于修改，用来测试热加载
16     private String className = "testjvm.testclassloader.Hot";
17     private Class hotClazz = null;
18     private HotSwapURLClassLoader hotSwapCL = null;
19
20     @Override
21     public void run() {
22         try {
23             while (true) {
24                 initLoad();
25                 Object hot = hotClazz.newInstance();
26                 Method m = hotClazz.getMethod("hot");
27                 m.invoke(hot, null); //打印出相关信息
28                 // 每隔10秒重新加载一次
29                 Thread.sleep(10000);
30             }
31         } catch (Exception e) {
32             e.printStackTrace();
33         }
34     }
35
36     /**
37      * 加载class
38      */
39     void initLoad() throws Exception {
40         hotSwapCL = HotSwapURLClassLoader.getClassLoader();
41         // 如果Hot类被修改了，那么会重新加载，hotClass也会返回新的
42         hotClazz = hotSwapCL.loadClass(className);
43     }
44 }

在测试类运行的时候，修改Hot.class文件

Hot.class

原来第五行:System.out.println(" version 1 : "+this.getClass().getClassLoader());
改后第五行:System.out.println(" version 2 : "+this.getClass().getClassLoader());

输出

version 1 : testjvm.testclassloader.HotSwapURLClassLoader@610f7612

version 2 : testjvm.testclassloader.HotSwapURLClassLoader@45e4d960

所以HotSwapURLClassLoader是重加载了Hot类。注意上面，其实当加载修改后的Hot时，HotSwapURLClassLoader实例跟加载没修改Hot的HotSwapURLClassLoader不是同一个。
图：HotSwapURLClassLoader加载情况

总结：上述类热加载，需要自定义ClassLoader，并且只能重新实例化ClassLoader实例，利用新的ClassLoader实例才能重新加载之前被加载过的class。并且程序需要模块化，才能利用这种热加载方式。

二 class卸载
在Java中class也是可以unload。JVM中class和Meta信息存放在PermGen space区域。如果加载的class文件很多，那么可能导致PermGen space区域空间溢出。引起：java.lang.OutOfMemoryErrorPermGen space. 对于有些Class我们可能只需要使用一次，就不再需要了，也可能我们修改了class文件，我们需要重新加载 newclass，那么oldclass就不再需要了。那么JVM怎么样才能卸载Class呢。

JVM中的Class只有满足以下三个条件，才能被GC回收，也就是该Class被卸载（unload）：

   - 该类所有的实例都已经被GC。
   - 加载该类的ClassLoader实例已经被GC。
   - 该类的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用。

GC的时机我们是不可控的，那么同样的我们对于Class的卸载也是不可控的。

例子：
代码：SimpleURLClassLoader，一个简单的自定义classloader

1 package testjvm.testclassloader;
  2
  3 import java.io.File;
  4 import java.net.MalformedURLException;
  5 import java.net.URL;
  6 import java.net.URLClassLoader;
  7
  8 public class SimpleURLClassLoader extends URLClassLoader {
  9     //工程class类所在的路径
10     public static String projectClassPath = "E:/IDE/work_place/ZJob-Note/bin/";
11     //所有的测试的类都在同一个包下
12     public static String packagePath = "testjvm/testclassloader/";
13
14     public SimpleURLClassLoader() {
15         //设置ClassLoader加载的路径
16         super(getMyURLs());
17     }
18
19     private static  URL[] getMyURLs(){
20         URL url = null;
21         try {
22             url = new File(projectClassPath).toURI().toURL();
23         } catch (MalformedURLException e) {
24             e.printStackTrace();
25         }
26         return new URL[] { url };
27     }
28
29     public Class load(String name) throws Exception{
30         return loadClass(name);
31     }
32
33     public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
34         return loadClass(name,false);
35     }
36
37     /**
38      * 重写loadClass，不采用双亲委托机制("java."开头的类还是会由系统默认ClassLoader加载)
39      */
40     @Override
41     public Class<?> loadClass(String name,boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
42         Class clazz = null;
43         //查看HotSwapURLClassLoader实例缓存下，是否已经加载过class
44         clazz = findLoadedClass(name);
45         if (clazz != null ) {
46             if (resolve){
47                 resolveClass(clazz);
48             }
49             return (clazz);
50         }
51
52         //如果类的包名为"java."开始，则有系统默认加载器AppClassLoader加载
53         if(name.startsWith("java.")){
54             try {
55                 //得到系统默认的加载cl，即AppClassLoader
56                 ClassLoader system = ClassLoader.getSystemClassLoader();
57                 clazz = system.loadClass(name);
58                 if (clazz != null) {
59                     if (resolve)
60                         resolveClass(clazz);
61                     return (clazz);
62                 }
63             } catch (ClassNotFoundException e) {
64                 // Ignore
65             }
66         }
67
68         return customLoad(name,this);
69     }
70
71     /**
72      * 自定义加载
73      * @param name
74      * @param cl
75      * @return
76      * @throws ClassNotFoundException
77      */
78     public Class customLoad(String name,ClassLoader cl) throws ClassNotFoundException {
79         return customLoad(name, false,cl);
80     }
81
82     /**
83      * 自定义加载
84      * @param name
85      * @param resolve
86      * @return
87      * @throws ClassNotFoundException
88      */
89     public Class customLoad(String name, boolean resolve,ClassLoader cl)
idea的热部署

Maven的热部署

java的热部署和热加载

Tomcat项目的热加载

maven项目在tomcat7/8上的热部署

java学习---maven工程的创建+tomcat的热部署