Java 利用ClassLoader 实现类的热部署和卸载

最近做项目的时候遇到了这个问题,就是在服务器不重启的情况下实现版本替换,即项目中一部分的类需要实时替换,甚至,对利用动态编译去生成很多临时的类;

那就需要解决两个问题:
1.如何实现类的动态替换
2.如何实现类的卸载

当然,关于类的动态编译,我会在今后的文章中写出;

一、实现类的动态替换:
首先,同名同包的类,在静态编译的时候是肯定无法通过的,在运行时也一定不行;这是为什么呢?
因为,所有的类,在未实现自定义ClassLoader的时候,都会由系统提供的三个ClassLoader来加载,分别是:

BootstrapClassLoader:
Java本地类,在Java语言层面是透明的,由C++实现(仅这个),负责加载JVM自身需要的类,这些类放在 <JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包内,并根据文件名识别jar包,如rt.jar..出于安全考虑,BootstrapClassLoader只加载包名为java、javax、sun等开头的类。

ExtensionClassLoader:
它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库,开发者可以直接使用标准扩展类加载器

AppClassLoader:
它负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path 指定路径下的类库,也就是我们经常用到的classpath路径

类的加载采用按需加载和双亲委托的机制,什么意思呢?
当一个类需要被加载时,JVM才会将.class读取进内存,进行之后的加载操作;
双亲委托是指,当前的classloader会找自身这个类是否被加载,找到就返回;如果没找到,会向它的父加载器查询是否被加载,直到找到BootstrapClassLoader仍未加载时,向下返回,返回到初始调用的classloader,加载该类;

理解了这个机制,当我们需要动态加载一个类时,当前的classloader会去寻找该类是否被加载,由于在服务器运行过程中,需要替换的类已经被加载,从双亲委托的角度看,这个类已经被加载,在加载就会报错。

有没有办法绕过双亲委托机制呢?

简单啊!

我们自定义一个类加载器,同时不指定它的父加载器,一个classloader只负责加载一个类,那么当新的类需要加载时,我们为其生成一个新的classloader即可;

可能细心的读者会问了,那新的类是加载进去了,旧的类怎么办啊,如果我不断有新的类加载,不一样会导致内存占用吗?

这就涉及类的卸载了:

二、类的卸载
在Java中,每个类都有相应的classloader,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是,gc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ClassLoader不可达
下面我将详细解答:
由于每个对象都有相应的Class对象,所以当该类仍有实例的时候,是无法卸载的,因为此时Class对象仍可达;
对于ClassLoader对象,留意双亲委托机制中,每个ClassLoader都会记录自身已加载的类信息,所以如果ClassLoader可达,那么Class对象仍是可达的,这就解释了为什么我们为什么需要自定义ClassLoader,因为系统的ClassLoader永远是可达的,他们加载的类在运行时永远不会被卸载;
那现在问题就简单了,我们在加载类的方法时,定义一个临时的ClassLoader,返回结果为Class对象,当这个方法结束后,就仅有该Class对象可以获取到这个ClassLoader;也就是说,当该类的所有实例对象都被gc后,就仅有Class对象可以获得这个ClassLoader了,当我们把这个Class置为空并进行gc后,这个类就会被卸载;

三.类的监控
说了这么多,我们有没有什么方法能够监控JVM的加载和卸载过程呢?
其实很简单,只需在JVM的启动参数中加上几行配置即可:
-verbose:class 用于同时跟踪类的加载和卸载
-XX:+TraceClassLoading 单独跟踪类的加载
-XX:+TraceClassUnloading 单独跟踪类的卸载

代码如下:使用JVM参数:-verbose:class
// 死循环模拟生产环境
while (true){
// 定义一个匿名类加载器,指定类的父加载器为空,绕过双亲委托机制
ClassLoader loader = new ClassLoader(null) {
//重写 findClass方法,加载指定文件,这个部分你可以自由发挥
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
File classFile = new File("d://Sample.class");
ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
try {
InputStream stream = new FileInputStream(classFile);
int b = 0;
while((b = stream.read())!=-1){
outputStream.write(b);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
byte[] bytes = outputStream.toByteArray();
return super.defineClass("com.sun.InterfaceFactory.Sample", bytes, 0, bytes.length);
}
};
// 加载需要的类
Class c = loader.loadClass("");

        c = null;
        System.out.println("gc1");
        System.gc();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        loader = null;
        System.out.println("gc2");
        System.gc();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

输出结果:
[Loaded com.sun.InterfaceFactory.Sample from JVM_DefineClass]
gc1
gc2
[Unloading class com.sun.InterfaceFactory.Sample 0x00000007c0094828]
[Loaded com.sun.InterfaceFactory.Sample from JVM_DefineClass]
gc1
gc2
[Unloading class com.sun.InterfaceFactory.Sample 0x00000007c0094828]
.....

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