【JRebel 作者出品--譯文】Java class 熱更新：關於物件，類，類載入器

三國夢迴發表於2019-06-27
Java物件

一篇大神的譯文，勉強（嗯。。相當勉強）地放在類載入器系列吧，第8彈：

實戰分析Tomcat的類載入器結構（使用Eclipse MAT驗證）

還是Tomcat，關於類載入器的趣味實驗

了不得，我可能發現了Jar 包衝突的祕密

重寫類載入器，實現簡單的熱替換

@Java Web 程式設計師，我們一起給程式開個後門吧：讓你在保留現場，服務不重啟的情況下，執行我們的除錯程式碼

@Java web程式設計師，在保留現場，服務不重啟的情況下，執行我們的除錯程式碼（JSP 方式）

不吹不黑，關於 Java 類載入器的這一點，市面上沒有任何一本圖書講到

一、前言

手裡是錘子，看哪裡都是釘子。最近學習類載入器的感覺就是如此，總是在想，利用它可以做到什麼？ 可以做到類隔離、不停服務執行動態除錯程式碼，但是，還能做什麼呢？

畢竟，Tomcat 出到現在了，也不支援更新某一個class 而不重啟應用（這裡重啟應用的意思是，不是重啟 Tomcat，而是重新部署 webapp），而熱部署同樣也是一個耗時的操作。有經驗的同學應該知道Jrebel，開發環境的神器，有了它，平時用開發機和前端同學聯調，再也不用頻繁重啟應用了。Jrebel可以做到動態更新某個class，並且可以馬上生效，但是它的實現原理是迂迴了一圈去解決這個問題的，且會有效能上的損耗，所以在生產環境也是不建議的（jrebel原理參考：HotSwap和JRebel原理）。

按理說，Java 出現都20幾年了，這樣的需求還沒解決，背後是有什麼樣的原因嗎？這裡，我找到一篇 jRebel 網站上的文章，感覺寫得很好，這裡勉強利用我的渣英語翻譯一下。如果英語底子好，直接看原文吧。

連結：Reloading Java Classes 101: Objects, Classes and ClassLoaders

 

ps：翻譯到最後，發現這篇文章就是 JRebel的作者寫的，大家看看下面的截圖：

 

再看看維基百科：

https://en.wikipedia.org/wiki/ZeroTurnaround

 

 

二、正文

在這篇文章裡，我們將討論怎麼利用動態的類載入器去熱更一個 Java 類。同時，我們會先看看，物件、類、類載入器是怎麼互相緊密綁在一起的，然後再看看為了達到熱更的目的，需要做出的努力。我們將從一個問題開始，見微知著，解釋熱更的過程，然後通過一個特定的例子來展示這其中會遇到的問題和解決方案。本系列文章包括：

 

管中窺豹

談論Java class 熱更之前的第一件事，就是理解類和物件的關係。任何 java 程式碼，都和包含在類中的方法緊密關聯。簡單來說，你可以把一個類，想成一個方法的集合，這些方法接收 “this” 關鍵字作為第一個引數。（譯者：可以把深入理解JVM那本書拿出來翻一下了，見下圖。其實大家可以想想，組合語言中，一般的指令格式都是：操作碼 運算元1 運算元2 。。。運算元n，而不可能是 在運算元1上呼叫操作碼，然後運算元2作為引數這種模式。底層沒有物件導向，只有程式導向）。

 

類被裝載進記憶體，並被賦予一個唯一標識。在 Java api中，你可以通過 MyObject.class 這樣的方式來獲得一個 java.lang.Class 的物件，這個物件就能唯一標識被載入的這個類。

 

每個被建立的物件，都能通過 Object.class 來獲得對這個類的唯一標識的引用。當在該物件上呼叫一個方法時，JVM 會在內部獲取到 class 引用，並呼叫該 class 的方法。也就是說，假設 mo 是 MyObject 類的一個物件，當你呼叫 mo.method（）時， JVM 實際會進行類似下面這樣的呼叫： mo.getClass().getDeclaredMethod("method").invoke(mo) （虛擬機器實現並不會這樣寫，但是最終的結果是一致的）

 

因此，每一個物件都和它的類載入器相關聯（MyObject.class.getClassloader（））。 classLoader 的主要作用就是去定義類的可見範圍——在什麼地方這個類是可見的，什麼地方又是不可見的。 這樣的範圍控制，允許具有相同包名及類名的類共存，只要他們是由不同的類載入載入的。該機制也允許在一個不同的類載入器中，載入一個新版本的類。

 

類熱更的主要問題在於，儘管你可以載入一個新版本的class，但它卻會獲取到一個完全不同的唯一標識（譯者：這裡的意思就是，兩個classloader是不一致的，即使載入同一個class檔案）。並且，舊的物件依然引用的是class 的舊版本。因此，當呼叫該物件的方法時，其依然會執行老版本的方法。

 

我們假設，我們載入了 MyObject 的一個新版本的class，舊版本的類，名字為 MyObject_1，新的為 MyObject_2。MyObject_1 中的 method（） 方法會返回 “1”，MyObject_2 中會返回 “2”。 現在，假設 mo2 是一個 MyObject_2 型別的物件，那麼以下是成立的：

mo.getClass() != mo2.getClass()

mo.getClass().getDeclaredMethod("method").invoke(mo) != mo2.getClass().getDeclaredMethod("method").invoke(mo2)

（譯者： 這兩句原文裡沒解釋。第一句就是說，兩個的class 物件不一致，第二行是說，  mo.method （）會返回 “1”，而 mo2. method （）會返回“2”，當然不相等）

而接下來這句， mo.getClass().getDeclaredMethod("method").invoke(mo2) 會丟擲 ClassCastException，因為 mo 和 mo2 的 class 是不一樣的。

 

這就意味著，熱更的解決方案，只能是建立一個 mo2，（mo2 是 mo 的拷貝），然後將程式內部所有引用了mo的地方都換成 mo2。 要理解這有多困難，想想上次你改電話號碼的時候。改你的電話號碼很簡單，難的是要讓你的朋友們知道你的新號碼。改號碼這個事就和我們這裡說的問題一樣困難（甚至是不可能的，除非你能控制物件的建立），而且，所有的物件中的引用，必須同一時刻更新。

 

例子展示

ps：原標題是 Down and Dirty？這什麼意思。。。

我們將在一個新的類載入器中，去載入一個新版本的class。這裡， IExample 是一個介面， Example 是它的一個實現。

public interface IExample {
  String message();
  int plusPlus();
}

 

public class Example implements IExample {
  private int counter;
  public String message() {
    return "Version 1";
  }
  public int plusPlus() {
    return counter++;
  }
  public int counter() {
    return counter;
  }
}

 

接下來我們會去建立一個動態的類載入器，大概是下面這樣：

public class ExampleFactory {
  public static IExample newInstance() {
    URLClassLoader tmp =
      new URLClassLoader(new URL[] {getClassPath()}) {
        public Class loadClass(String name) {
          if ("example.Example".equals(name))
            return findClass(name);
          return super.loadClass(name);
        }
      };

    return (IExample)
      tmp.loadClass("example.Example").newInstance();
  }
}

 

上面這個類載入器，繼承了 URLClassLoader，遇到  "example.Example" 類時，會自己進行載入，路徑為：getClassPath()。最後一句，會載入該類，並生成一個該類的物件。

這裡的 getClassPath 在本例中，可以返回一個硬編碼的路徑。

 

我們再建立一個測試類，其中的main方法會在死迴圈中執行並列印出 Example class 的資訊。 

public class Main {
  private static IExample example1;
  private static IExample example2;

  public static void main(String[] args)  {
    example1 = ExampleFactory.newInstance();

    while (true) {
      example2 = ExampleFactory.newInstance();

      System.out.println("1) " +
        example1.message() + " = " + example1.plusPlus());
      System.out.println("2) " +
        example2.message() + " = " + example2.plusPlus());
      System.out.println();

      Thread.currentThread().sleep(3000);
    }
  }
}

 

我們執行下 測試類，可以看到以下輸出：

1) Version 1 = 3
2) Version 1 = 0

可以看到，這裡的 Version 都是 1。（Version 1是 example2.message() 返回的，因為此時類沒有改，所以大家都是Version 1）。

 

這裡，我們假設將 Example.message() 修改一下，改為 返回 “Version 2”（譯者：這裡意思是，改完後，重新編譯為class，再放到 getClassPath （）對應的路徑下）。那麼此時輸出為：

1) Version 1 = 4
2) Version 2 = 0

 

為什麼會是這個結果， Version 1 是由  example1 輸出的，所以計數器一直在累加，狀態得到了保持。而 Version 2 的計數變回了0，所有的狀態都丟失了。（譯者：畢竟是新載入的class，生成的新物件啊。。。）

 

為了修復這個問題，我們修改了一下Example 類：

public IExample copy(IExample example) {
  if (example != null)
    counter = example.counter();
  return this;
}

 

並修改一下，測試類中的方法：

example2 = ExampleFactory.newInstance().copy(example2);

 

現在再看看結果：

1) Version 1 = 3
2) Version 1 = 3

將 Example.message（）改成返回 “version 2”後：

1) Version 1 = 4
2) Version 2 = 4

 

如你看到的，儘管第二個物件的狀態也得到了了更新，但這需要我們手動修改才能做到。不幸的是，並沒有 API 去更新一個已經存在的物件的 class，或者去可靠地拷貝該物件的狀態，所以我們不得不去尋找複雜的解決方案。

下一篇（譯者：原文是一個系列）將會去探究，web 容器，OSGI，Tapestry 5，Grails 怎麼樣去解決熱更時保持狀態的問題，然後我們會進一步深入，可靠HowSwap 、動態語言、和 Instrumentation API 是怎麼工作的，同樣，也包括 Jrebel。

譯文參考及原始碼：

三、總結

 大神的作品，不說了。大家肯定沒耐心等我翻該系列的後續了（嗯，水平也差。。。哈哈），等不及的同學請直接去瞻仰大神的文章吧。

 

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