透过现象看本质：Java类动态加载和热替换
摘要：本文主要介绍类加载器、自定义类加载器及类的加载和卸载等内容，并举例介绍了Java类的热替换。
最近，遇到了两个和Java类的加载和卸载相关的问题：
1) 是一道关于Java的判断题：一个类被首次加载后，会长期留驻JVM，直到JVM退出。这个说法，是不是正确的？
2) 在开发的一个集成平台中，需要集成类似接口的多种工具，并且工具可能会有新增，同时在不同的环境部署会有裁剪（例如对外提供服务的应用，不能提供特定的采购的工具），如何才能更好地实现？
针对上面的第2点，我们采用Java插件化开发实现。上面的两个问题，都和Java的类加载和热替换机制有关。
1. Java的类加载器和双亲委派模型
1.1 Java类加载器
类加载器，顾名思义，就是用来实现类的加载操作。每个类加载器都有一个独立的类名称空间，就是说每个由该类加载器加载的类，都在自己的类名称空间，如果要比较两个类是否“相等”，首先这两个类必须在相同的类命名空间，即由相同的类加载器加载（即对于任何一个类，都必须由该类本身和加载它的类加载器一起确定其在JVM中的唯一性），不是同一个类加载器加载的类，不会相等。
在Java中，主要有如下的类加载器：
图1.1 Java类加载器
下面，简单介绍上面这几种类加载器：
- 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：这个类使用C++开发（所有的类加载器中，唯一使用C++开发的类加载器），用来加载<JAVA_HOME>/lib目录中jar和tools.jar或者使用 -Xbootclasspath 参数指定的类。
- 扩展类加载器（Extension Class Loader）：定义为misc.Launcher$ExtClassLoader，用来加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录或者使用java.ext.dir指定的类。
- 应用程序类加载器（Application Class Loader）：定义为misc.Launcher$AppClassLoader，用来加载用户类路径下面（classpath）下面所有的类，一般情况下，该类是应用程序默认的类加载器。
- 用户自定义类加载器（User Class Loader）：用户自定义类加载器，一般没有必要，后面我们会专门来一部分介绍该类型的类加载器。
1.2 双亲委派模型
双亲委派模型，是从 Java1.2 开始引入的一种类加载器模式，在Java中，类的加载操作通过java.lang.ClassLoader中的loadClass()方法完成，咱们首先看看该方法的实现（直接从Java源码中捞出来的）：
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // First, check if the class has already been loaded Class<?> c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { c = parent.loadClass(name, false); } else { c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // ClassNotFoundException thrown if class not found // from the non-null parent class loader } if (c == null) { // If still not found, then invoke findClass in order // to find the class. long t1 = System.nanoTime(); c = findClass(name); // this is the defining class loader; record the stats sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } }
我们结合上面的注释，来解释下双亲委派模型的内容：
1) 接收到一个类加载请求后，首先判断该类是否有加载，如果已经加载，则直接返回；
2) 如果尚未加载，首先获取父类加载器，如果可以获取父类加载器，则调用父类的loadClass()方法来加载该类，如果无法获取父类加载器，则调用启动器加载器来加载该类；
3) 判断该类是否被父类加载器或者启动类加载器加载，如果已经加载完成则返回，如果未成功加载，则自己尝试来加载该类。
上面的描述，说明了loadClass()方法的实现，我们进一步对上面的步骤进行解释：
- 因为类加载器首先调父类加载器来进行加载，从loadClass()方法的实现，我们知道父类加载器会尝试调自己的父类加载器，直到启动类加载器，所以，任何一个类的加载，都会最终委托到启动类加载器来首先加载；
- 在前面有进行介绍，启动类加载器、扩展类加载器、应用程序类加载器，都有自己加载的类的范围，例如启动类加载器只加载JDK核心库，因此并不是父类加载器就可以都加载成功，父类加载器无法加载（一般如上面代码，抛出来ClassNotFoundException），此时会由自己加载。
最后啰嗦一下，再进行一下总结：
双亲委派模型：如果一个类加载器收到类加载请求，会首先把加载请求委派给父类加载器完成，每个层次的类加载器都是这样，最终所有的加载请求都传动到最根的启动类加载器来完成，如果父类加载器无法完成该加载请求（即自己加载的范围内找不到该类），子类加载器才会尝试自己加载。
这样的双亲委派模型有个好处：就是所有的类都尽可能由顶层的类加载器加载，保证了加载的类的唯一性，如果每个类都随机由不同的类加载器加载，则类的实现关系无法保证，对于保证Java程序的稳定运行意义重大。
2. Java的类动态加载和卸载
2.1 Java类的卸载
在Java中，每个类都有相应的Class Loader，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时，JVM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Class Loader不可达
那么，上面示例对象、Class对象和类的Class Loader直接是什么关系呢？
在类加载器的内部实现中，用一个Java集合来存放所加载类的引用。而一个Class对象总是会引用它的类加载器，调用Class对象的getClassLoader()方法，就能获得它的类加载器。所以，Class实例和加载它的加载器之间为双向引用关系。
一个类的实例总是引用代表这个类的Class对象。在Object类中定义了getClass()方法，这个方法返回代表对象所属类的Class对象的引用。此外，所有的Java类都有一个静态属性class，它引用代表这个类的Class对象。
Java虚拟机自带的类加载器（前面介绍的三种类加载器）在JVM运行过程中，会始终存在，而这些类加载器则会始终引用它们所加载的类的Class对象，因此这些Class对象始终是可触及的。因此，由Java虚拟机自带的类加载器所加载的类，在虚拟机的生命周期中，始终不会被卸载。
那么，我们是不是就完全不能在Java程序运行过程中，动态修改我们使用的类了吗？答案是否定的！根据上面的分析，通过Java虚拟机自带的类加载器加载的类无法卸载，我们可以自定义类加载器来加载Java程序，通过自定义类加载器加载的Java类，是可以被卸载的。
2.2 自定义类加载器
前面介绍到，类加载的双亲委派模型，是推荐模型，在loadClass中实现的，并不是必须使用的模型。我们可以通过自定义类加载器，直接加载我们需要的Java类，而不委托给父类加载器。
图2.1 自定义类加载器
如上图所示，我们有自定义的类加载器MyClassLoader，用来加载类MyClass，则在JVM中，会存在上面三类引用（上图忽略这三种类型对象对其他的对象的引用）。如果我们将左边的三个引用变量，均设置为null，那么此时，已经加载的MyClass将会被卸载。
2.3 动态卸载存在的问题
动态卸载需要借助于JVM的垃圾收集功能才可以做到，但是我们知道，JVM的垃圾回收，只有在堆内存占用比较高的时候，才会触发。即使我们调用了System.gc()，也不会立即执行垃圾回收操作，而只是告诉JVM需要执行垃圾回收，至于什么时候垃圾回收，则要看JVM自己的垃圾回收策略。
但是我们不需要悲观，即使动态卸载不是那么牢靠，但是实现动态的Java类的热替换还是有希望的。
3. Java类的热替换
下面通过代码来介绍Java类的热替换方法（代码简陋，主要为了说明问题）：
如下面的代码：
首先定义一个自定义类加载器：
package zmj; import java.io.File; import java.io.FileInputStream; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; public class FileClassLoader extends ClassLoader { private String fileName; public void setFileName(String fileName) { this.fileName = fileName; } public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { if (name.startsWith("java")) { return getSystemClassLoader().loadClass(name); } Class cls = null; File classF = new File(fileName); try { cls = instantiateClass(name, new FileInputStream(classF), classF.length()); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return cls; } private Class instantiateClass(String name, InputStream fin, long len) throws IOException { byte[] raw = new byte[(int) len]; fin.read(raw); fin.close(); return defineClass(name, raw, 0, raw.length); } }
上面在loadClass时，先判断类name（包含package的全限定名）是否以java开始，如果是java开始，则使用JVM自带的类加载器加载。
然后定义一个简单的动态加载类：
package zmj; public class SayHello { public void say() { System.out.println("hello ping..."); } }
在执行过程中，会动态修改打印内容，测试类的热加载。
然后定义一个调用类：
package zmj; import java.lang.reflect.InvocationTargetException; import java.lang.reflect.Method; public class Main { public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException { while (true) { FileClassLoader fileClassLoader = new FileClassLoader(); fileClassLoader.setFileName("D:/workspace/idea/test/class-loader-test/target/classes/zmj/SayHello.class"); Object obj = null; obj = fileClassLoader.loadClass("zmj.SayHello").newInstance(); Method m = obj.getClass().getMethod("say", new Class[]{}); m.invoke(obj, new Object[]{}); Thread.sleep(2000); } } }
当我们运行上面Main程序过程中，我们动态修改执行内容（SayHello中，从 hello zmj... 更改为 hello ping...），最终展示的内容如下：
hello zmj...
hello zmj...
hello zmj...
hello ping...
hello ping...
hello ping...
4. 总结
本文主要介绍类加载器、自定义类加载器及类的加载和卸载等内容，并举例介绍了Java类的热替换实现。
其实，最近在开发项目中，需要裁剪特性，就想用pf4j来做插件化开发，了解了一些类加载机制，整理一下。
主要参考《深入Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》。
本文分享自华为云社区《Java类动态加载和热替换》，原文作者：maijun 。
