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重温java之classloader体系结构（含hotswap）

 
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主题：重温java之classloader体系结构（含hotswap）
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最后更新时间：2008-07-30 关键字: inside jvm classloader
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jvm classLoader architecture :

a, Bootstrap ClassLoader/启动类加载器
       主要负责jdk_home/lib目录下的核心 api 或 -Xbootclasspath 选项指定的jar包装入工作.

b, Extension ClassLoader/扩展类加载器
       主要负责jdk_home/lib/ext目录下的jar包或 -Djava.ext.dirs 指定目录下的jar包装入工作

c, System ClassLoader/系统类加载器
        主要负责java -classpath/-Djava.class.path所指的目录下的类与jar包装入工作.

b, User Custom ClassLoader/用户自定义类加载器(java.lang.ClassLoader的子类)
        在程序运行期间, 通过java.lang.ClassLoader的子类动态加载class文件, 体现java动态实时类装入特性.

类加载器的特性：

1， 每个ClassLoader都维护了一份自己的名称空间， 同一个名称空间里不能出现两个同名的类。
2， 为了实现java安全沙箱模型顶层的类加载器安全机制, java默认采用了 " 双亲委派的加载链 " 结构.
如下图:

 

Class Diagram：


类图中， BootstrapClassLoader是一个单独的java类， 其实在这里， 不应该叫他是一个java类。
因为， 它已经完全不用java实现了。

它是在jvm启动时， 就被构造起来的， 负责java平台核心库。（具体上面已经有介绍）

启动类加载实现 (其实我们不用关心这块， 但是有兴趣的， 可以研究一下 ):

bootstrap classLoader 类加载原理探索
www.javaeye.com/topic/136885

自定义类加载器加载一个类的步骤 :

 

 

 


ClassLoader 类加载逻辑分析， 以下逻辑是除 BootstrapClassLoader 外的类加载器加载流程:

java 代码
  1. // 检查类是否已被装载过
  2. Class c = findLoadedClass(name);
  3. if (c == null ) {
  4.      // 指定类未被装载过
  5.      try {
  6.          if (parent != null ) {
  7.              // 如果父类加载器不为空， 则委派给父类加载
  8.              c = parent.loadClass(name, false );
  9.          } else {
  10.              // 如果父类加载器为空， 则委派给启动类加载加载
  11.              c = findBootstrapClass0(name);
  12.          }
  13.      } catch (ClassNotFoundException e) {
  14.          // 启动类加载器或父类加载器抛出异常后， 当前类加载器将其
  15.          // 捕获， 并通过findClass方法， 由自身加载
  16.          c = findClass(name);
  17.      }
  18. }

用Class.forName加载类
 Class.forName使用的是被调用者的类加载器来加载类的.
这种特性, 证明了java类加载器中的名称空间是唯一的, 不会相互干扰.
即在一般情况下, 保证同一个类中所关联的其他类都是由当前类的类加载器所加载的.

java 代码
  1. public static Class forName(String className)
  2.      throws ClassNotFoundException {
  3.      return forName0(className, true , ClassLoader.getCallerClassLoader());
  4. }

  6. /** Called after security checks have been made. */
  7. private static native Class forName0(String name, boolean initialize,
  8. ClassLoader loader)
  9.      throws ClassNotFoundException;


上图中 ClassLoader.getCallerClassLoader 就是得到调用当前forName方法的类的类加载器


线程上下文类加载器
 java默认的线程上下文类加载器是 系统类加载器(AppClassLoader).

java 代码
  1. // Now create the class loader to use to launch the application
  2. try {
  3.     loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);
  4. } catch (IOException e) {
  5.     throw new InternalError(
  6. "Could not create application class loader" );
  7. }

  9. // Also set the context class loader for the primordial thread.
  10. Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader);


以上代码摘自sun.misc.Launch的无参构造函数Launch()。

使用线程上下文类加载器, 可以在执行线程中, 抛弃双亲委派加载链模式, 使用线程上下文里的类加载器加载类.
典型的例子有, 通过线程上下文来加载第三方库jndi实现, 而不依赖于双亲委派.
大部分java app服务器(jboss, tomcat..)也是采用contextClassLoader来处理web服务。
还有一些采用 hotswap 特性的框架, 也使用了线程上下文类加载器, 比如 seasar (full stack framework in japenese).

线程上下文从根本解决了一般应用不能违背双亲委派模式的问题.
使java类加载体系显得更灵活.

随着多核时代的来临, 相信多线程开发将会越来越多地进入程序员的实际编码过程中. 因此,
在编写基础设施时， 通过使用线程上下文来加载类, 应该是一个很好的选择.

当然, 好东西都有利弊. 使用线程上下文加载类, 也要注意, 保证多根需要通信的线程间的类加载器应该是同一个,
防止因为不同的类加载器, 导致类型转换异常(ClassCastException).

自定义的类加载器实现
 defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,ProtectionDomain protectionDomain)
是java.lang.Classloader提供给开发人员, 用来自定义加载class的接口.

使用该接口, 可以动态的加载class文件.

例如,
在jdk中, URLClassLoader是配合findClass方法来使用defineClass, 可以从网络或硬盘上加载class.

而使用类加载接口, 并加上自己的实现逻辑, 还可以定制出更多的高级特性.

比如,

一个简单的hot swap 类加载器实现:

java 代码
  1. import java.io.File;
  2. import java.io.FileInputStream;
  3. import java.lang.reflect.Method;
  4. import java.net.URL;
  5. import java.net.URLClassLoader;

  7. /**
  8. * 可以重新载入同名类的类加载器实现
  9. *

     
  10. * 放弃了双亲委派的加载链模式.
  11. * 需要外部维护重载后的类的成员变量状态.
  12. *
  13. * @author ken.wu
  14. * @mail ken.wug@gmail.com
  15. * 2007-9-28 下午01:37:43
  16. */
  17. public class HotSwapClassLoader extends URLClassLoader {

  19.     public HotSwapClassLoader(URL[] urls) {
  20.         super (urls);
  21.     }

  23.     public HotSwapClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {
  24.         super (urls, parent);
  25.     }

  27.     public Class load(String name)
  28.           throws ClassNotFoundException {
  29.         return load(name, false );
  30.     }

  32.     public Class load(String name, boolean resolve)
  33.           throws ClassNotFoundException {
  34.         if ( null != super .findLoadedClass(name))
  35.             return reload(name, resolve);

  37.         Class clazz = super .findClass(name);

  39.         if (resolve)
  40.             super .resolveClass(clazz);

  42.         return clazz;
  43.     }

  45.     public Class reload(String name, boolean resolve)
  46.           throws ClassNotFoundException {
  47.         return new HotSwapClassLoader( super .getURLs(), super .getParent()).load(
  48.             name, resolve);
  49.     }
  50. }

 

java 代码
  1. public class A {
  2.     private B b;

  4.     public void setB(B b) {
  5.          this .b = b;
  6.     }

  8.     public B getB() {
  9.          return b;
  10.     }
  11. }

 

java 代码
  1. public class B {}



这个类的作用是可以重新载入同名的类， 但是， 为了实现hotswap, 老的对象状态
需要通过其他方式拷贝到重载过的类生成的全新实例中来。(A类中的b实例)

而新实例所依赖的B类如果与老对象不是同一个类加载器加载的， 将会抛出类型转换异常(ClassCastException).

为了解决这种问题， HotSwapClassLoader自定义了load方法. 即当前类是由自身classLoader加载的， 而内部依赖的类还是老对象的classLoader加载的.

java 代码
  1. public class TestHotSwap {
  2. public static void main(String args[]) {
  3.     A a = new A();
  4.     B b = new B();
  5.     a.setB(b);

  7.     System.out.printf("A classLoader is %s \n" , a.getClass().getClassLoader());
  8.     System.out.printf("B classLoader is %s \n" , b.getClass().getClassLoader());
  9.     System.out.printf("A.b classLoader is %s \n" ,   a.getB().getClass().getClassLoader());

  11.     HotSwapClassLoader c1 = new HotSwapClassLoader( new URL[]{ new URL( "file:\\e:\\test\\")} , a.getClass().getClassLoader());
  12.     Class clazz = c1.load(" test.hotswap.A ");
  13.     Object aInstance = clazz.newInstance();

  15.     Method method1 = clazz.getMethod(" setB ", B.class);
  16.     method1.invoke(aInstance, b);

  18.     Method method2 = clazz.getMethod(" getB ", null);
  19.     Object bInstance = method2.invoke(aInstance, null);

  21.     System.out.printf(" reloaded A.b classLoader is %s \n", bInstance.getClass().getClassLoader());
  22. }
  23. }



输出

A classLoader is sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f
B classLoader is sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f
A.b classLoader is sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f
reloaded A.b classLoader is sun.misc.Launcher$AppClassLoader@19821f
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  • galaxystar
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jvm源码:
http://192.18.108.226/ECom/EComTicketServlet/BEGIN4CAF628524ADC775568B78AFA0541DF1/129100851/2424011667/1/541862/541862/2424011667/xmzZndezB81HYlfGYdXI/westCoastFSEND/ESD10/commsrc/j2sdk/1.5.0/jdk-1_5_0-src-scsl.zip
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LZ 对CLASSLOADER这么了解，有没有研究过不重启服务器，直接替换类的方法
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LZ 对CLASSLOADER这么了解，有没有研究过不重启服务器，直接替换类的方法


推荐一个商业产品- javarebel， 可以试用几天， 它真正实现了hot swap.
可以不重启服务器， 改了类直接生效。
官方网站
http://www.zeroturnaround.com/javarebel/

特性：
Creating new classes
Changing method bodies
Adding/removing methods
Adding/removing constructors
Adding/removing fields
Overriding methods
Changing method or field types
Changing interfaces


我也在搞一个类似这个产品的开源实现。
最近， 正在反编译它的代码，想学点技巧。
核心思想/技术应该是  instrumentation + asm + aop + hotswap classLoader + 新老对象状态拷贝

但是因为混淆得特别厉害， 有点难搞， 大家什么好的反编译工具优化混淆吗？

我之前用了jode,jad反编译.
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只要能更新类就已经满足啦

LZ 加油  期待...
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Wicket1.3提供了一个ReloadingClassLoader，实现了部分热替换
可以参考一下
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wl95421 写道
Wicket1.3提供了一个ReloadingClassLoader，实现了部分热替换
可以参考一下


其实针对类的重载，还是比较简单的，最棘手的是， 对象状态的重载。
这个问题，也是hot swap的实现逐渐变得越来越复杂的原因之一。

其实jpda（java platform debug architecture）如果能扩展实现这些

Creating new classes
Changing method bodies
Adding/removing methods
Adding/removing constructors
Adding/removing fields
Overriding methods
Changing method or field types
Changing interfaces

也不会出现javarebel这种商业产品了。
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前期也看过一些开源框架中的reload代码，大多只是重新载入了类，
苦闷的是没有看到一个非常好的实现，
在对象状态上都没有一个好的典型的设计，
也曾设计到那时而熄火了
非常期待galaxystar 对javarebel设计的原思路开放,
期待你自己的开源实现
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  • dimscar
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LZ......
是不是问题一大片啊....

现在的服务器一般都实现单类重载，但是整个context呢？
并且对象状态的重载？

对整个context重载的你是怎么看待的？
对象状态重载的又是怎么设计的？
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  • galaxystar
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dimscar 写道
LZ......
是不是问题一大片啊....

现在的服务器一般都实现单类重载，但是整个context呢？
并且对象状态的重载？

对整个context重载的你是怎么看待的？
对象状态重载的又是怎么设计的？


现在的服务器， 都只能实现 context reloading.
OSGI粒度小一点的， 可以单个jar包的reload

我的核心设计思想：
jvm代理技术 instrumentation
asm字节码修改 (高性能字节码工具)
aop动态代理
对象状态拷贝
对类行为的一些动态分析， 比如哪些构造函数在被调用。
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