Tomcat热部署的实现原理

概述

名词解释：所谓热部署，就是在应用正在运行的时候升级软件，却不需要重新启动应用。

对于Java应用程序来说，热部署就是在运行时更新Java类文件。在基于Java的应用服务器实现热部署的过程中，类装入器扮演着重要的角色。大多数基于Java的应用服务器，包括EJB服务器和Servlet容器，都支持热部署。类装入器不能重新装入一个已经装入的类，但只要使用一个新的类装入器实例，就可以将类再次装入一个正在运行的应用程序。

我们知道，现在大多数的web服务器都支持热部署，而对于热部署的实现机制，网上讲的却不够完善，下面我们就Tomcat的热部署实现机制，讲解一下它是如何实现的：

Tomcat的容器实现热部署使用了两种机制：

1. Classloader重写，通过自定义classloader加载相应的jsp编译后的class到JVM中。
2. 通过动态修改内存中的字节码，将修改过的class再次装载到JVM中。

Classloader实现jsp的重新加载

Tomcat通过org.apache.jasper.servlet.JasperLoader实现了对jsp的加载，下面做个测试：
1． 新建一个web工程，并编写一个jsp页面，在jsp页面中输出该页面的classloader,<%System.out.print(this.getClass().getClassLoader());%>.
2． 启动web服务器，打开jsp页面，我们可以看到后台输出，该jsp的classloader是JasperLoader的一个实例。
3． 修改jsp，保存并刷新jsp页面，再次查看后台输出，此classloader实例已经不是刚才那个了，也就是说tomcat通过一个新的classloader再次装载了该jsp。
4． 其实，对于每个jsp页面tomcat都使用了一个独立的classloader来装载，每次修改完jsp后，tomcat都将使用一个新的classloader来装载它。

关于如何使用自定义classloader来装载一个class这里就不说了，相信网上都能找到，JSP属于一次性消费，每次调用容器将创建一个新的实例，属于用完就扔的那种，但是对于这种实现方式却很难用于其它情况下，如现在我们工程中很多都使用了单例，尤其是spring工程，在这种情况下使用新的classloader来加载修改后的类是不现实的，单例类将在内存中产生多个实例，而且这种方式无法改变当前内存中已有实例的行为，当然，tomcat也没通过该方式实现class文件的重新加载。

通过代理修改内存中class的字节码

Tomcat中的class文件是通过org.apache.catalina.loader. WebappClassLoader装载的,同样我们可以做个测试，测试过程与jsp测试类似，测试步骤就不说了，只说一下结果：

在热部署的情况下，对于被该classloader 加载的class文件，它的classloader始终是同一个WebappClassLoader，除非容器重启了，相信做完这个实验你就不会再认为tomcat是使用一个新的classloader来加载修改过的class了，而且对于有状态的实例，之前该实例拥有的属性和状态都将保存，并在下次执行时拥有了新的class的逻辑，这就是热部署的神秘之处（其实每个实例只是保存了该实例的状态属性，我们通过序列化对象就能看到对象中包含的状态，最终的逻辑还是存在于class文件中）。

下面的class重定义是通过：java.lang.instrument实现的，具体可参考相关文档。

下面我们看一下如何通过代理修改内存中的class字节码：

以下是一个简单的热部署代理实现类（代码比较粗糙，也没什么判断）：

import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.Instrumentation;
import java.util.Set;
import java.util.Timer;
import java.util.TreeSet;
public  class  HotAgent {

    protected  static  Set<String>  clsnames=new TreeSet<String>();

    public  static  void  premain(String  agentArgs, Instrumentation  inst)  throws Exception {
        ClassFileTransformer  transformer =new ClassTransform(inst);
        inst.addTransformer(transformer);
        System.out.println("是否支持类的重定义："+inst.isRedefineClassesSupported());
        Timer  timer=new  Timer();
        timer.schedule(new ReloadTask(inst),2000,2000);
    }
}

import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
importjava.lang.instrument.IllegalClassFormatException;
import java.lang.instrument.Instrumentation;
import java.security.ProtectionDomain;

public  class  ClassTransform.  implements ClassFileTransformer {
    private  Instrumentation  inst;

    protected  ClassTransform(Instrumentation  inst){
        this.inst=inst;
    }

    /**
     * 此方法在redefineClasses时或者初次加载时会调用，也就是说在class被再次加载时会被调用，
     * 并且我们通过此方法可以动态修改class字节码，实现类似代理之类的功能，具体方法可使用ASM或者javasist，
     * 如果对字节码很熟悉的话可以直接修改字节码。
     */
    public  byte[]  transform(ClassLoader  loader, String  className,
           Class<?>  classBeingRedefined, ProtectionDomain  protectionDomain,
           byte[]  classfileBuffer)throws IllegalClassFormatException {
        byte[]  transformed = null;
        HotAgent.clsnames.add(className);
        return  null;
    }
}

import java.lang.instrument.ClassDefinition;
import java.io.InputStream;
import java.lang.instrument.ClassDefinition;
import java.lang.instrument.Instrumentation;
import java.util.TimerTask;

public  class  ReloadTask  extends  TimerTask {
    private  Instrumentation  inst;

    protected  ReloadTask(Instrumentation  inst){
        this.inst=inst;
    }

    @Override
    public  void  run() {
       try{
           ClassDefinition[]  cd=new ClassDefinition[1];
           Class[]  classes=inst.getAllLoadedClasses();
           for(Class  cls:classes){
                if(cls.getClassLoader()==null||!cls.getClassLoader().getClass().getName().equals("sun.misc.Launcher$AppClassLoader"))
                    continue;
                String  name=cls.getName().replaceAll("\\.","/");
                cd[0]=new ClassDefinition(cls,loadClassBytes(cls,name+".class"));
                inst.redefineClasses(cd);
           }
       }catch(Exception ex){
            ex.printStackTrace();
       }
    }

    private  byte[]  loadClassBytes(Class  cls,String  clsname) throws  Exception{
        System.out.println(clsname+":"+cls);
        InputStream  is=cls.getClassLoader().getSystemClassLoader().getResourceAsStream(clsname);
        if(is==null)return  null;
        byte[]  bt=new  byte[is.available()];
        is.read(bt);
        is.close();
        return  bt;
    }
}

以上是基本实现代码，需要组件为：
1．HotAgent（预加载）
2．ClassTransform（在加载class的时候可以修改class的字节码），本例中没用到
3．ReloadTask（class定时加载器，以上代码仅供参考）
4．META-INF/MANIFEST.MF内容为：（参数一：支持class重定义；参数二：预加载类）

Can-Redefine-Classes: true
Premain-Class: agent.HotAgent

5．将以上组件打包成jar文件（到此，组件已经完成，下面为编写测试类文件）。
6．新建一个java工程，编写一个java逻辑类，并编写一个Test类，在该测试类中调用逻辑类的方法，下面看下测试类代码：

package test.redefine;

public  class  Bean1 {
    public  void  test1(){
      System.out.println("============================");
    }
}

package test.redefine;

public  class  Test {
    public  static  void  main(String[] args)throws  InterruptedException {

       Bean1  c1=new  Bean1();
       while(true){
           c1.test1();
           Thread.sleep(5000);
       }
    }
}

运行测试类：

java –javaagent:agent.jar test.redefine.Test

在测试类中，我们使用了一个死循环，定时调用逻辑类的方法。我们可以修改Bean1中的方法实现，将在不同时间看到不同的输出结果，关于技术细节也没什么好讲的了，相信大家都能明白。