一文搞定Java熱更新
Java熱更新
在持續交付的時代，重新部署一個新的版本只需要點擊一下按鈕。但在有的情況下，重新部署過程可能比較復雜，停機是不被允許的。所以JVM提供了另外一種選擇：在不重啟應用的前提下進行小幅改動，又稱熱更新。
對于某些大型的應用來說，每次的重啟都需要花費大量的時間成本，所以，如果能在不重啟虛擬機的情況下更新一個類，在某些業務場景下變得十分重要。比如很多腳本語言就支持熱替換，例如服務器端PHP，只要替換了PHP源文件，這種改動就會立即生效，無需重啟服務器。
在Java開發領域，熱更新一直是一個難以解決的問題，目前的Java虛擬機只能實現方法級別的熱更新，對于整個類的結構修改，仍然需要重啟虛擬機。
熱更新的方法
Java熱更新一直不斷地改進。
1.4開始JPDA引入了hotSwap機制(JPDA Enhancements)，實現了debug時的method body的動態性。
1.5開始通過JVMTI實現的java.lang.instrument(Java Platform SE 8)的premain方式，實現了agent方式的動態性(JVM啟動時指定agent)。
1.6增加了agentmain方式，實現了運行時動態性(通過The Attach API 綁定到具體VM)。其基本實現是通過JVMTI的retransformClass/redefineClass進行函數體級別的字節碼更新，ASM、CGLib之類基本都是圍繞這些在做動態性。
1.定義不同的classloader
在了解JVM ClassLoader之后(可以點擊查看《Java類加載及對象創建過程詳解》)，可以通過定義不同的ClassLoader，監聽文件變化后，通過新的ClassLoader加載新文件，然后做好相應的狀態恢復，對舊ClassLoader進行卸載等動作。(舊classloader及加載的class類在沒有實例引用的情況下,full gc時會被回收掉)
Tomcat的動態部署就是監聽war變化，然后調用StandardContext.reload()，用新的WebContextClassLoader實例來加載war，然后初始化servlet來實現。類似的實現還有OSGi等。
這種熱更新的流程如下：
重新加載類的過程
2.agentmain
筆者的項目目前采用的這種形式，雖然筆者造過好多輪子，但筆者更看好Arthas這樣的開源產品。。。
agentmain熱更新的原理
為了實現Java進程A與進程B之間的本地通信，熱更新的JVM進程使用VirutalMachine.attach(pid)來連接需要熱更新的JVM進程，然后使用virtualMachine.loadAgent加載自定義的agent(筆者查看了Arthas源碼，原理也大致相同)。這個通信通道成功建立之后，那么進程A就能通知進程B去執行某些操作，從而達到監控進程B或者控制進程B的某些行為的目的。如jstack、jmap等JDK自帶的工具，基本都是通過Attach機制去達成各自想要的目的的。
JVM啟動的時候，在JVM內部啟動了一個監聽線程，這個線程的名字叫“Signal Dispatcher”，該線程的作用是，監聽并處理OS的信號。
信號是一種進程通信。如平常我們用的最多的就是 kill -9 ${pid}來殺死某個進程，kill進程通過向${pid}的進程發送一個編號為“9”號的信號，來通知系統強制結束${pid}的生命周期。)
至于attach實現，在Linux下時使用文件Socket進行進程通信(對同一個文件進行讀寫操作，以達到信息的交互和共享)。
更詳細的原理，JVM大神寒泉子有篇文章《JVM源碼分析之javaagent原理完全解讀》，如點擊無法跳轉，請查看筆者CSDN博客原文來點擊超鏈接。
3.Arthas
Arthas是阿里巴巴最近開源出來的一個針對java的工具，主要是針對java的問題進行診斷。
跳轉官網地址
這個工具可以協助完成下面這些事情(轉自官網)：
- 這個類是從哪個jar包加載而來的?
- 為什么會報各種類相關的Exception?
- 線上遇到問題無法debug好蛋疼，難道只能反復通過增加System.out或通過加日志再重新發布嗎?
- 線上的代碼為什么沒有執行到這里?是由于代碼沒有commit?還是搞錯了分支?
- 線上遇到某個用戶的數據處理有問題，但線上同樣無法 debug，線下無法重現。
- 是否有一個全局視角來查看系統的運行狀況?
- 有什么辦法可以監控到JVM的實時運行狀態?
Arthas采用命令行交互模式，同時提供豐富的Tab自動補全功能，進一步方便進行問題的定位和診斷。
Arthas提供在線教程，相比一般的開源產品，上手真的很贊。
arthas實現熱更新
使用Arthas三個命令就可以搞定熱更新
- 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命令反編譯，然后可以用其它編譯器，比如vim來修改源碼
- mc命令來內存編譯修改過的代碼
- 用redefine命令加載新的字節碼
JVM熱更新的局限
基于Attach機制實現的熱更新，更新類需要與原來的類在包名，類名，修飾符上完全一致，否則在classRedefine過程中會產生classname don't match 的異常。
例如顯示這樣的報錯：redefineClasses exception class redefinition failed: attempted to delete a method.
具體來說，JVM熱更新局限總結：
- 函數參數格式不能修改，只能修改函數內部的邏輯
- 不能增加類的函數或變量
- 函數必須能夠退出，如果有函數在死循環中，無法執行更新類(筆者實驗發現，死循環跳出之后，再執行類的時候，才會是更新類)
最后，限于筆者經驗水平有限，歡迎讀者就文中的觀點提出寶貴的建議和意見。
