tomcat热部署的实现原理

一． 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。

二． 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。

三． 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）：

package agent;

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);

}

}

package agent;

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被调用，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;

}

}

package agent;

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