tomcat熱部署的實現原理

一．             概述

名詞解釋：所謂熱部署，就是在應用正在執行的時候升級軟體，卻不需要重新啟動應用。

對於Java應用程式來說，熱部署就是在執行時更新Java類檔案。在基於Java的應用伺服器實現熱部署的過程中，類裝入器扮演著重要的角色。大多數基於Java的應用伺服器，包括EJB伺服器和Servlet容器，都支援熱部署。類裝入器不能重新裝入一個已經裝入的類，但只要使用一個新的類裝入器例項，就可以將類再次裝入一個正在執行的應用程式。

我們知道，現在大多數的web伺服器都支援熱部署，而對於熱部署的實現機制，網上講的卻不夠完善，下面我們就tomcat的熱部署實現機制，講解一下它是如何實現的：

Tomcat的容器實現熱部署使用了兩種機制：

1．  Classloader重寫，通過自定義classloader載入相應的jsp編譯後的class到JVM中。

2．  通過動態修改記憶體中的位元組碼，將修改過的class再次裝載到JVM中。

二．             Classloader實現jsp的重新載入

Tomcat通過org.apache.jasper.servlet.JasperLoader實現了對jsp的載入，下面做個測試：

1． 新建一個web工程，並編寫一個jsp頁面，在jsp頁面中輸出該頁面的classloader,.

2．  啟動web伺服器，開啟jsp頁面，我們可以看到後臺輸出，該jsp的classloader是JasperLoader的一個例項。

3．  修改jsp，儲存並重新整理jsp頁面，再次檢視後臺輸出，此classloader例項已經不是剛才那個了，也就是說tomcat通過一個新的classloader再次裝載了該jsp。

4．  其實，對於每個jsp頁面tomcat都使用了一個獨立的classloader來裝載，每次修改完jsp後，tomcat都將使用一個新的classloader來裝載它。

關於如何使用自定義classloader來裝載一個class這裡就不說了，相信網上都能找到，JSP屬於一次性消費，每次呼叫容器將建立一個新的例項，屬於用完就扔的那種，但是對於這種實現方式卻很難用於其它情況下，如現在我們工程中很多都使用了單例，尤其是spring工程，在這種情況下使用新的classloader來載入修改後的類是不現實的，單例類將在記憶體中產生多個例項，而且這種方式無法改變當前記憶體中已有例項的行為，當然，tomcat也沒通過該方式實現class檔案的重新載入。

三．             通過代理修改記憶體中class的位元組碼

Tomcat中的class檔案是通過org.apache.catalina.loader. WebappClassLoader裝載的,同樣我們可以做個測試，測試過程與jsp測試類似，測試步驟就不說了，只說一下結果：

         在熱部署的情況下，對於被該classloader 載入的class檔案，它的classloader始終是同一個WebappClassLoader，除非容器重啟了，相信做完這個實驗你就不會再認為tomcat是使用一個新的classloader來載入修改過的class了，而且對於有狀態的例項，之前該例項擁有的屬性和狀態都將儲存，並在下次執行時擁有了新的class的邏輯，這就是熱部署的神祕之處（其實每個例項只是儲存了該例項的狀態屬性，我們通過序列化物件就能看到物件中包含的狀態，最終的邏輯還是存在於class檔案中）。

下面的class重定義是通過：java.lang.instrument實現的，具體可參考相關文件。

         下面我們看一下如何通過代理修改記憶體中的class位元組碼：

以下是一個簡單的熱部署代理實現類（程式碼比較粗糙，也沒什麼判斷）：

package agent;

import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;

import java.lang.instrument.Instrumentation;

import java.util.Set;

import java.util.Timer;

import java.util.TreeSet;

public  class  HotAgent {

    protected  static  Set  clsnames=new TreeSet();

    public  static  void  premain(String  agentArgs, Instrumentation  inst)  throws Exception {

       ClassFileTransformer  transformer =new ClassTransform(inst);

       inst.addTransformer(transformer);

       System.out.println("是否支援類的重定義："+inst.isRedefineClassesSupported());

       Timer  timer=new  Timer();

      timer.schedule(new ReloadTask(inst),2000,2000);

    }

}

package agent;

import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;

importjava.lang.instrument.IllegalClassFormatException;

import java.lang.instrument.Instrumentation;

import java.security.ProtectionDomain;

public  class  ClassTransform.  implements ClassFileTransformer {

    private  Instrumentation  inst;

    protected  ClassTransform(Instrumentation  inst){

       this.inst=inst;

    }

    /**

     * 此方法在redefineClasses時或者初次載入時會被呼叫，也就是說在class被再次載入時會被呼叫，

     * 並且我們通過此方法可以動態修改class位元組碼，實現類似代理之類的功能，具體方法可使用ASM或者javasist，

     * 如果對位元組碼很熟悉的話可以直接修改位元組碼。

     */

    public  byte[]  transform(ClassLoader  loader, String  className,

           Class>  classBeingRedefined, ProtectionDomain  protectionDomain,

           byte[]  classfileBuffer)throws IllegalClassFormatException {

       byte[]  transformed = null;

       HotAgent.clsnames.add(className);

        return  null;

    }

}

package agent;

import java.io.InputStream;

import java.lang.instrument.ClassDefinition;

import java.lang.instrument.Instrumentation;

import java.util.TimerTask;

public  class  ReloadTask  extends  TimerTask {

    private  Instrumentation  inst;

    protected  ReloadTask(Instrumentation  inst){

       this.inst=inst;

    }

    @Override

    public  void  run() {

       try{

           ClassDefinition[]  cd=new ClassDefinition[1];

           Class[]  classes=inst.getAllLoadedClasses();

           for(Class  cls:classes){

          if(cls.getClassLoader()==null||!cls.getClassLoader().getClass().getName().equals("sun.misc.Launcher$AppClassLoader"))

                  continue;

              String  name=cls.getName().replaceAll("\\.","/");

             cd[0]=new ClassDefinition(cls,loadClassBytes(cls,name+".class"));

              inst.redefineClasses(cd);

           }

       }catch(Exception ex){

           ex.printStackTrace();

       }

    }

    private  byte[]  loadClassBytes(Class  cls,String  clsname) throws  Exception{

       System.out.println(clsname+":"+cls);

       InputStream  is=cls.getClassLoader().getSystemClassLoader().getResourceAsStream(clsname);

       if(is==null)return  null;

       byte[]  bt=new  byte[is.available()];

       is.read(bt);

       is.close();

       return  bt;

    }

}

以上是基本實現程式碼，需要元件為：

1．  HotAgent（預載入）

2．  ClassTransform（在載入class的時候可以修改class的位元組碼），本例中沒用到

3．  ReloadTask（class定時載入器，以上程式碼僅供參考）

4．  META-INF/MANIFEST.MF內容為：（引數一：支援class重定義；引數二：預載入類）

Can-Redefine-Classes: true

Premain-Class: agent.HotAgent

5．  將以上元件打包成jar檔案（到此，元件已經完成，下面為編寫測試類檔案）。

6．  新建一個java工程，編寫一個java邏輯類，並編寫一個Test類，在該測試類中呼叫邏輯類的方法，下面看下測試類程式碼：

package test.redefine;

public  class  Bean1 {

    public  void  test1(){

      System.out.println("============================");

    }

}

package test.redefine;

public  class  Test {

    public  static  void  main(String[] args)throws  InterruptedException {

       Bean1  c1=new  Bean1();

       while(true){

           c1.test1();

           Thread.sleep(5000);

       }

    }

}

執行測試類：

java –javaagent:agent.jar test.redefine.Test

在測試類中，我們使用了一個死迴圈，定時呼叫邏輯類的方法。我們可以修改Bean1中的方法實現，將在不同時間看到不同的輸出結果，關於技術細節也沒什麼好講的了，相信大家都能明白。