Java类的热加载原理与实现

1 类加载原理

Java类的加载过程主要分为三个步骤，加载、链接、初始化，其中将类加载到JVM中的工作由类加载器完成。在加载阶段，类加载器可以从不同的数据源（jar文件、class文件、网络文件）读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class类的一个实例。
在Java中，主要提供有四种类加载器，引导类加载器（BootStrapClassLoader）、扩展类加载器（ExtClassLoader）、应用类加载器（AppClassLoader）以及用户自定义的 ClassLoader，这四种类加载器有着明显的层级关系（由顶至下）（引导类加载器->扩展类加载器->应用类加载器->自定义加载器），其中引导类加载器用来加载Java的核心库，比如加载 jre/lib 下面的 jar 文件，扩展类加载器负责加载我们放到 jre/lib/ext/ 目录下面的 jar 包，而应用类加载器则加载系统变量classpath路径下的内容，当然，我们也可以实现自定义的类加载器，自己控制和管理类的加载过程。
另外，这四种类加载器在加载类的时候会遵循一个称作“双亲委派”的准则，在加载类的时候，会首先委派其父加载器进行加载，如果已经加载则直接返回该类的引用，这是一个递归的过程。如果到最顶层也没有加载到指定类，那么会自顶向下挨个尝试加载，直到用户自定义类加载器，如果还不能成功，就会抛出异常。

2 类的热加载基本实现

热加载指的是，在不停止正在运行的系统的情况下进行类的替换，前面我们知道了类的加载由类加载器完成。热加载是类加载常见的应用，比如Tomcat中jsp的热替换。下面我们自定义类加载器实现简单的类的热加载。

2.1 自定义类加载器

对于类加载器，有几个重要的方法：
loadClass：加载类的入口方法，其中实现遵循了双亲委派机制，该方法返回Class实例；
findClass：loadClass方法中，如果其父类加载器无法加载指定类，则调用自身的findClass方法完成加载，该方法返回Class实例；
defineClass：接收以字节数组表示的类字节码，并把它转换成 Class 实例；

public class MyClassLoader extends ClassLoader{private String classpath;public MyClassLoader(String classpath){this.classpath = classpath;}@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {byte[] classdata = loadClassData(name);return this.defineClass(name, classdata, 0, classdata.length);}private byte[] loadClassData(String name) {try {name = name.replace(".", "//");String path = classpath + name + ".class";File file = new File(path);FileInputStream is = new FileInputStream(file);ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();int b = 0;while ((b = is.read()) != -1) {baos.write(b);}is.close();return baos.toByteArray();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return null;}
}

2.2 热加载实现

我们首先试着自定义一个测试接口，并由自定义类加载器完成接口实现类的热替换：

public interface HelloService {void sayHello();}

热替换实现，这里依赖于接口，不依赖于具体：

public class Main {private static final ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);public static void main(String[] args) {classLoaderTest();}public static void classLoaderTest(){Class<?> clazz = null;try {MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader("D:/Workspaces/IdeaProjects/classloader-java-class/out/production/classloader-java-class/");clazz = myClassLoader.loadClass("gdou.laixiaoming.HelloServiceImpl");System.out.println("加载HelloService实现类成功,由"+clazz.getClassLoader() + "加载");HelloService helloService = (HelloService)clazz.getConstructor(new Class[]{}).newInstance(new Object[]{});helloService.sayHello();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}scheduledExecutorService.schedule(() -> {classLoaderTest();}, 1 , TimeUnit.SECONDS);}
}

另外再新建一个Java项目，实现前面的测试接口，主要用于测试实现类的自动编译，拿到得自动生成的class文件：

public class HelloServiceImpl implements HelloService {@Overridepublic void sayHello() {System.out.println("Hello,ClassLoader!");}
}

这里要注意一下，IDEA默认并没有打开自动构建功能，这里需要手动开启，路径为：

运行main方法，修改HelloServiceImpl实现，可以看到，控制台输出为修改后最新的内容。

参考：Java 类的热替换 —— 概念、设计与实现