Java ClassLoader代码热替换

总结

1. 类加载器是负责加载类的对象。类ClassLoader是一个抽象类。给定类的全限定类名，类加载器应尝试查找或生成构成该类定义的数据Class文件。典型的策略是将名称转换为文件名，然后从文件系统中读取该名称的类文件
2. 每个Class对象都包含一个Class.getClassLoader()方法可以获取到定义它的ClassLoader
3. 数组类的Class对象不是由类加载器创建的，而是根据Java运行时的要求自动创建的。getClassLoader()返回的数组类的类装入器与其元素类型的类装入器相同,如果元素类型是基础类型，则数组类没有类装入器。
4. 除了加载类之外，类加载器还负责定位资源。资源是一些数据（例如 .class文件、配置数据或图像）。资源通常与应用程序或库一起打包，以便可以通过应用程序或库中的代码找到它们。
5. ClassLoader类使用委托模型来搜索类和资源。ClassLoader的每个实例都有一个关联的父类加载器。当请求查找类或资源时，ClassLoader实例通常会在尝试查找类或资源本身之前，将对该类或资源的搜索委托给其父类装入器。
6. Java内置类加载器

1. 通常Java虚拟机以依赖于平台的方式从本地文件系统加载类。但是，有些类可能不是源于文件；它们可能来自其他来源，如网络，也可能由应用程序构建。 方法defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)，将字节数组转换为类class的实例。这个新定义的类的实例可以使用Class.newInstance()方法创建
2. 类加载器创建的对象的方法和构造函数可以引用其他类。为了确定引用的类，Java虚拟机调用最初创建该类的类加载器的loadClass方法

ClassLoader 虚拟类方法

实现代码热替换

通过上面我们可以知道类加载流程是

1. loadClass方法会先调用getClassLoadingLock方法获取锁
2. 再调用findLoadedClass方法检查类是否已加载，如果已经加载则直接获取到该Class类对象，再判断该Class类对象是否需要链接(resolve)，如果要链接进入resolveClass，链接完后直接返回。链接就是执行类加载过程中的验证、准备、解析这些过程
3. 如果未加载，则往父加载器一直递归调用loadClass加载该类
4. 如果父加载器也加载不了该类，才调用findClass方法获取Class对象而findClass是空方法由子类重写
5. 其实现中会使用defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)方法，该可以将class文件的字节数组转为Class对象
6. 如果需要链接，最后使用resolveClass方法进行类的链接

实现

1. 如果我们要实现代码热替换，那么就要使用defineClass方法加载新的类，所以最简单的实现就是直接使用defineClass方法将新的Class文件字节数组转为Class对象，再使用反射创建新对象并执行新方法
2. 但是defineClass是protected方法，所以我们只能继承ClassLoader虚拟类才能调用该方法
3. 最好的规范就是继承ClassLoader虚拟类，并实现其loadClass方法和findClass方法，并在loadClass方法中调用findClass方法，在findClass方法中再调用defineClass方法
4. 为了便于理解，直接抛弃规范，直接自己写一个方法直接调用defineClass方法实现代码热替换

项目结构，out是编译出的class文件目录，由于Test就在src目录下，没有包名，则其全限定类名为Test

public class Test extends ClassLoader {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        while(true) {
            try {
                Test test = new Test();
                // 编译后的class文件位置 ./表示代码根目录
                String classFile = "./out/production/Java_hot_replace/Test.class";
                FileInputStream fis = new FileInputStream(classFile);
                byte[] bytes = new byte[1024*10];
                int len = fis.read(bytes);
                //将字节数组转为Class类对象 Test为全限定类名
                Class clazz = test.defineClass("Test", bytes, 0 ,len);
                //使用反射根据新的Class对象创建新对象，并执行其printStr方法
                Object object = clazz.newInstance();
                Method m = object.getClass().getMethod("printStr", new Class[] {});
                m.invoke(object, new Object[] {});
                Thread.sleep(2000);
            } catch(Exception e) {
                e.printStackTrace();
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch(InterruptedException ex) {

                }
            }
        }
    }

    public void printStr() {
        System.out.println("A");
    }
}

启动后修改代码，然后点重新编译

可以看到代码被热替换了

改进思考

• 正常实现流程应该为继承ClassLoader虚拟类，并重写其loadClass方法和findClass方法，并在loadClass方法中调用findClass方法，在findClass方法中再调用defineClass方法
• 实现热替换应该是替换修改过的代码，则应当维护一个Map<String, Long> 存储从全限定类名到上次文件修改时间的映射，每次定时扫描Class文件目录或检测到保存快捷键Ctrl+s时触发扫描，文件的属性也有上次修改时间，拿我们存储的和文件的属性比较即可知道文件是否修改，即是否需要重新加载Class类
• 热替换产生了大量类信息都存储在jdk1.7的永久代，jdk1.8的元空间，如果无用的类信息过多则会造成OOM，我们自定义类加载器和其产生的Class类对象，都可以通过置空(= null)使其不可达，然后调用System.gc()就可以卸载，即类似如下代码

public class Test extends ClassLoader {
   public static void main(String[] args) throws Exception {
     	MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
 	 	Class classLoaded = classLoader.loadClass("MyClass");
  	 	classLoaded = null; 
  		classLoader = null; 
  	 	System.gc();  
  	}
}