一文搞定Java热更新

2019-09-23

JAVA热更新

在持续交付的时代，重新部署一个新的版本只需要点击一下按钮。但在有的情况下，重新部署过程可能比较复杂，停机是不被允许的。所以JVM提供了另外一种选择：在不重启应用的前提下进行小幅改动，又称热更新。

对于某些大型的应用来说，每次的重启都需要花费大量的时间成本，所以，如果能在不重启虚拟机的情况下更新一个类，在某些业务场景下变得十分重要。比如很多脚本语言就支持热替换，例如服务器端php，只要替换了PHP源文件，这种改动就会立即生效，无需重启服务器。

在Java开发领域，热更新一直是一个难以解决的问题，目前的Java虚拟机只能实现方法级别的热更新，对于整个类的结构修改，仍然需要重启虚拟机。

热更新的方法

Java热更新一直不断地改进。

1.4开始JPDA引入了hotSwap机制（JPDA Enhancements），实现了debug时的method body的动态性。

1.5开始通过JVMTI实现的java.lang.instrument(Java Platform SE 8)的premain方式，实现了agent方式的动态性（JVM启动时指定agent）。

1.6增加了agentmain方式，实现了运行时动态性（通过The Attach API 绑定到具体VM）。其基本实现是通过JVMTI的retransformClass/redefineClass进行函数体级别的字节码更新，ASM、CGLib之类基本都是围绕这些在做动态性。

1.定义不同的classloader

在了解JVM ClassLoader之后（可以点击查看《Java类加载及对象创建过程详解》），可以通过定义不同的ClassLoader，监听文件变化后，通过新的ClassLoader加载新文件，然后做好相应的状态恢复，对旧ClassLoader进行卸载等动作。（旧classloader及加载的class类在没有实例引用的情况下,full gc时会被回收掉）

Tomcat的动态部署就是监听war变化，然后调用StandardContext.reload()，用新的WebContextClassLoader实例来加载war，然后初始化servlet来实现。类似的实现还有OSGi等。

这种热更新的流程如下：

重新加载类的过程

2.agentmain

笔者的项目目前采用的这种形式，虽然笔者造过好多轮子，但笔者更看好Arthas这样的开源产品。。。

agentmain热更新的原理

为了实现Java进程A与进程B之间的本地通信，热更新的JVM进程使用Virutalmachine.attach(pid)来连接需要热更新的JVM进程，然后使用virtualMachine.loadAgent加载自定义的agent（笔者查看了Arthas源码，原理也大致相同）。这个通信通道成功建立之后，那么进程A就能通知进程B去执行某些操作，从而达到监控进程B或者控制进程B的某些行为的目的。如jstack、jmap等JDK自带的工具，基本都是通过Attach机制去达成各自想要的目的的。

JVM启动的时候，在JVM内部启动了一个监听线程，这个线程的名字叫“Signal Dispatcher”，该线程的作用是，监听并处理OS的信号。

信号是一种进程通信。如平常我们用的最多的就是 kill -9 ${pid}来杀死某个进程，kill进程通过向${pid}的进程发送一个编号为“9”号的信号，来通知系统强制结束${pid}的生命周期。）

至于attach实现，在linux下时使用文件Socket进行进程通信（对同一个文件进行读写操作，以达到信息的交互和共享）。

更详细的原理，JVM大神寒泉子有篇文章《JVM源码分析之javaagent原理完全解读》，如点击无法跳转，请查看笔者CSDN博客原文来点击超链接。

3.Arthas

Arthas是阿里巴巴最近开源出来的一个针对java的工具，主要是针对java的问题进行诊断。

跳转官网地址

这个工具可以协助完成下面这些事情(转自官网)：

这个类是从哪个jar包加载而来的？
为什么会报各种类相关的Exception？
线上遇到问题无法debug好蛋疼，难道只能反复通过增加System.out或通过加日志再重新发布吗？
线上的代码为什么没有执行到这里？是由于代码没有commit？还是搞错了分支？
线上遇到某个用户的数据处理有问题，但线上同样无法 debug，线下无法重现。
是否有一个全局视角来查看系统的运行状况？
有什么办法可以监控到JVM的实时运行状态？

Arthas采用命令行交互模式，同时提供丰富的Tab自动补全功能，进一步方便进行问题的定位和诊断。

Arthas提供在线教程，相比一般的开源产品，上手真的很赞。

arthas实现热更新

使用Arthas三个命令就可以搞定热更新

jad --source-only com.example.demo.arthas.user.UserController > /tmp/UserController.java
mc /tmp/UserController.java -d /tmp
redefine /tmp/com/example/demo/arthas/user/UserController.class

jad命令反编译，然后可以用其它编译器，比如vim来修改源码
mc命令来内存编译修改过的代码
用redefine命令加载新的字节码

JVM热更新的局限

基于Attach机制实现的热更新，更新类需要与原来的类在包名，类名，修饰符上完全一致，否则在classRedefine过程中会产生classname don't match 的异常。

例如显示这样的报错：redefineClasses exception class redefinition failed: attempted to delete a method.

具体来说，JVM热更新局限总结：

函数参数格式不能修改，只能修改函数内部的逻辑
不能增加类的函数或变量
函数必须能够退出，如果有函数在死循环中，无法执行更新类（笔者实验发现，死循环跳出之后，再执行类的时候，才会是更新类）

最后，限于笔者经验水平有限，欢迎读者就文中的观点提出宝贵的建议和意见。如果想获得更多的学习资源或者想和更多的技术爱好者一起交流，可以关注我的公众号『全菜工程师小辉』后台回复关键词领取学习资料、进入前后端技术交流群和程序员副业群。