詳解Java類動態加載和熱替換
最近，遇到了兩個和Java類的加載和卸載相關的問題：
1) 是一道關于Java的判斷題：一個類被首次加載后，會長期留駐JVM，直到JVM退出。這個說法，是不是正確的？
2) 在開發的一個集成平臺中，需要集成類似接口的多種工具，并且工具可能會有新增，同時在不同的環境部署會有裁剪（例如對外提供服務的應用，不能提供特定的采購的工具），如何才能更好地實現？
針對上面的第2點，我們采用Java插件化開發實現。上面的兩個問題，都和Java的類加載和熱替換機制有關。
1. Java的類加載器和雙親委派模型1.1 Java類加載器類加載器，顧名思義，就是用來實現類的加載操作。每個類加載器都有一個獨立的類名稱空間，就是說每個由該類加載器加載的類，都在自己的類名稱空間，如果要比較兩個類是否“相等”，首先這兩個類必須在相同的類命名空間，即由相同的類加載器加載（即對于任何一個類，都必須由該類本身和加載它的類加載器一起確定其在JVM中的唯一性），不是同一個類加載器加載的類，不會相等。
在Java中，主要有如下的類加載器：
下面，簡單介紹上面這幾種類加載器：
啟動類加載器（Bootstrap Class Loader）：這個類使用C++開發（所有的類加載器中，唯一使用C++開發的類加載器），用來加載<JAVA_HOME>/lib目錄中jar和tools.jar或者使用 -Xbootclasspath 參數指定的類。 擴展類加載器（Extension Class Loader）：定義為misc.Launcher$ExtClassLoader，用來加載<JAVA_HOME>/lib/ext目錄或者使用java.ext.dir指定的類。 應用程序類加載器（Application Class Loader）：定義為misc.Launcher$AppClassLoader，用來加載用戶類路徑下面（classpath）下面所有的類，一般情況下，該類是應用程序默認的類加載器。 用戶自定義類加載器（User Class Loader）：用戶自定義類加載器，一般沒有必要，后面我們會專門來一部分介紹該類型的類加載器。1.2 雙親委派模型雙親委派模型，是從 Java1.2 開始引入的一種類加載器模式，在Java中，類的加載操作通過java.lang.ClassLoader中的loadClass()方法完成，咱們首先看看該方法的實現（直接從Java源碼中撈出來的）：
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;} }
我們結合上面的注釋，來解釋下雙親委派模型的內容：
1) 接收到一個類加載請求后，首先判斷該類是否有加載，如果已經加載，則直接返回；
2) 如果尚未加載，首先獲取父類加載器，如果可以獲取父類加載器，則調用父類的loadClass()方法來加載該類，如果無法獲取父類加載器，則調用啟動器加載器來加載該類；
3) 判斷該類是否被父類加載器或者啟動類加載器加載，如果已經加載完成則返回，如果未成功加載，則自己嘗試來加載該類。
上面的描述，說明了loadClass()方法的實現，我們進一步對上面的步驟進行解釋：
因為類加載器首先調父類加載器來進行加載，從loadClass()方法的實現，我們知道父類加載器會嘗試調自己的父類加載器，直到啟動類加載器，所以，任何一個類的加載，都會最終委托到啟動類加載器來首先加載； 在前面有進行介紹，啟動類加載器、擴展類加載器、應用程序類加載器，都有自己加載的類的范圍，例如啟動類加載器只加載JDK核心庫，因此并不是父類加載器就可以都加載成功，父類加載器無法加載（一般如上面代碼，拋出來ClassNotFoundException），此時會由自己加載。最后??亂幌攏?俳?幸幌倫芙幔?/p>
雙親委派模型：如果一個類加載器收到類加載請求，會首先把加載請求委派給父類加載器完成，每個層次的類加載器都是這樣，最終所有的加載請求都傳動到最根的啟動類加載器來完成，如果父類加載器無法完成該加載請求（即自己加載的范圍內找不到該類），子類加載器才會嘗試自己加載。
這樣的雙親委派模型有個好處：就是所有的類都盡可能由頂層的類加載器加載，保證了加載的類的唯一性，如果每個類都隨機由不同的類加載器加載，則類的實現關系無法保證，對于保證Java程序的穩定運行意義重大。
2. Java的類動態加載和卸載2.1 Java類的卸載在Java中，每個類都有相應的Class Loader，同樣的，每個實例對象也會有相應的類，當滿足如下三個條件時，JVM就會卸載這個類：
1) 該類所有實例對象不可達
2) 該類的Class對象不可達
3) 該類的Class Loader不可達
那么，上面示例對象、Class對象和類的Class Loader直接是什么關系呢？
在類加載器的內部實現中，用一個Java集合來存放所加載類的引用。而一個Class對象總是會引用它的類加載器，調用Class對象的getClassLoader()方法，就能獲得它的類加載器。所以，Class實例和加載它的加載器之間為雙向引用關系。
一個類的實例總是引用代表這個類的Class對象。在Object類中定義了getClass()方法，這個方法返回代表對象所屬類的Class對象的引用。此外，所有的Java類都有一個靜態屬性class，它引用代表這個類的Class對象。
Java虛擬機自帶的類加載器（前面介紹的三種類加載器）在JVM運行過程中，會始終存在，而這些類加載器則會始終引用它們所加載的類的Class對象，因此這些Class對象始終是可觸及的。因此，由Java虛擬機自帶的類加載器所加載的類，在虛擬機的生命周期中，始終不會被卸載。
那么，我們是不是就完全不能在Java程序運行過程中，動態修改我們使用的類了嗎？答案是否定的！根據上面的分析，通過Java虛擬機自帶的類加載器加載的類無法卸載，我們可以自定義類加載器來加載Java程序，通過自定義類加載器加載的Java類，是可以被卸載的。
2.2 自定義類加載器前面介紹到，類加載的雙親委派模型，是推薦模型，在loadClass中實現的，并不是必須使用的模型。我們可以通過自定義類加載器，直接加載我們需要的Java類，而不委托給父類加載器。
如上圖所示，我們有自定義的類加載器MyClassLoader，用來加載類MyClass，則在JVM中，會存在上面三類引用（上圖忽略這三種類型對象對其他的對象的引用）。如果我們將左邊的三個引用變量，均設置為null，那么此時，已經加載的MyClass將會被卸載。
2.3 動態卸載存在的問題動態卸載需要借助于JVM的垃圾收集功能才可以做到，但是我們知道，JVM的垃圾回收，只有在堆內存占用比較高的時候，才會觸發。即使我們調用了System.gc()，也不會立即執行垃圾回收操作，而只是告訴JVM需要執行垃圾回收，至于什么時候垃圾回收，則要看JVM自己的垃圾回收策略。
但是我們不需要悲觀，即使動態卸載不是那么牢靠，但是實現動態的Java類的熱替換還是有希望的。
3. Java類的熱替換下面通過代碼來介紹Java類的熱替換方法（代碼簡陋，主要為了說明問題）：
如下面的代碼：
首先定義一個自定義類加載器：
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時，先判斷類name（包含package的全限定名）是否以java開始，如果是java開始，則使用JVM自帶的類加載器加載。
然后定義一個簡單的動態加載類：
package zmj;public class SayHello { public void say() {System.out.println('hello ping...'); }}
在執行過程中，會動態修改打印內容，測試類的熱加載。
然后定義一個調用類：
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);} }}
當我們運行上面Main程序過程中，我們動態修改執行內容（SayHello中，從 hello zmj... 更改為 hello ping...），最終展示的內容如下：
hello zmj...
hello zmj...
hello zmj...
hello ping...
hello ping...
hello ping...
以上就是詳解Java類動態加載和熱替換的詳細內容，更多關于Java類動態加載和熱替換的資料請關注好吧啦網其它相關文章！
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