對于許多關(guān)鍵性業(yè)務或者龐大的 Java 系統(tǒng)來說，如果必須暫停系統(tǒng)服務才能進行系統(tǒng)升級，既會大大影響到系統(tǒng)的可用性，同時也增加了系統(tǒng)的管理和維護成本。因此，如果能夠方便地在不停止系統(tǒng)業(yè) 務的情況下進行系統(tǒng)升級，則可以很好地解決上述問題。在本文中，我們將基于實例，對構(gòu)建在線升級 Java 系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)和設(shè)計原則進行了深入的講解。相信讀者能夠根據(jù)文中的技術(shù)構(gòu)建出自己的在線升級系統(tǒng)來。
在本文中，我們將不對 Java ClassLoader 的細節(jié)進行過于詳細的講解，而是關(guān)注于和構(gòu)建在線升級系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)概念。關(guān)于 ClassLoader 的詳細細節(jié)許多資料可以參考，有興趣的讀者可以自行研讀。
要構(gòu)建在線升級系統(tǒng)，一個重要的技術(shù)就是能夠?qū)崿F(xiàn) Java 類的熱替換 —— 也就是在不停止正在運行的系統(tǒng)的情況下進行類（對象）的升級替換。而 Java 的 ClassLoader 正是實現(xiàn)這項技術(shù)的基礎(chǔ)。
在 Java 中，類的實例化流程分為兩個部分：類的加載和類的實例化。類的加載又分為顯式加載和隱式加載。大家使用 new 關(guān)鍵字創(chuàng)建類實例時，其實就隱式地包含了類的加載過程。對于類的顯式加載來說，比較常用的是 Class.forName。其實，它們都是通過調(diào)用 ClassLoader 類的 loadClass 方法來完成類的實際加載工作的。直接調(diào)用 ClassLoader 的 loadClass 方法是另外一種不常用的顯式加載類的技術(shù)。
ClassLoader 在加載類時有一定的層次關(guān)系和規(guī)則。在 Java 中，有四種類型的類加載器，分別為：BootStrapClassLoader、ExtClassLoader、AppClassLoader 以及用戶自定義的 ClassLoader。這四種類加載器分別負責不同路徑的類的加載，并形成了一個類加載的層次結(jié)構(gòu)。
BootStrapClassLoader 處于類加載器層次結(jié)構(gòu)的最高層，負責 sun.boot.class.path 路徑下類的加載，默認為 jre/lib 目錄下的核心 API 或 -Xbootclasspath 選項指定的 jar 包。ExtClassLoader 的加載路徑為 java.ext.dirs，默認為 jre/lib/ext 目錄或者 -Djava.ext.dirs 指定目錄下的 jar 包加載。AppClassLoader 的加載路徑為 java.class.path，默認為環(huán)境變量 CLASSPATH 中設(shè)定的值。也可以通過 -classpath 選型進行指定。用戶自定義 ClassLoader 可以根據(jù)用戶的需要定制自己的類加載過程，在運行期進行指定類的動態(tài)實時加載。
這四種類加載器的層次關(guān)系圖如 圖 1 所示。一般來說，這四種類加載器會形成一種父子關(guān)系，高層為低層的父加載器。在進行類加載時，首先會自底向上挨個檢查是否已經(jīng)加載了指定類，如果已經(jīng)加載 則直接返回該類的引用。如果到最高層也沒有加載過指定類，那么會自頂向下挨個嘗試加載，直到用戶自定義類加載器，如果還不能成功，就會拋出異常。Java 類的加載過程如 圖 2 所示。
每個類加載器有自己的名字空間，對于同一個類加載器實例來說，名字相同的類只能存在一個，并且僅加載一次。不管該類有沒有變化，下次再需要加載時，它只是從自己的緩存中直接返回已經(jīng)加載過的類引用。
我 們編寫的應用類默認情況下都是通過 AppClassLoader 進行加載的。當我們使用 new 關(guān)鍵字或者 Class.forName 來加載類時，所要加載的類都是由調(diào)用 new 或者 Class.forName 的類的類加載器（也是 AppClassLoader）進行加載的。要想實現(xiàn) Java 類的熱替換，首先必須要實現(xiàn)系統(tǒng)中同名類的不同版本實例的共存，通過上面的介紹我們知道，要想實現(xiàn)同一個類的不同版本的共存，我們必須要通過不同的類加載 器來加載該類的不同版本。另外，為了能夠繞過 Java 類的既定加載過程，我們需要實現(xiàn)自己的類加載器，并在其中對類的加載過程進行完全的控制和管理。
為了能夠完全掌控類的加載過程，我們的定制類加載器需要直接從 ClassLoader 繼承。首先我們來介紹一下 ClassLoader 類中和熱替換有關(guān)的的一些重要方法。
- findLoadedClass： 每 個類加載器都維護有自己的一份已加載類名字空間，其中不能出現(xiàn)兩個同名的類。凡是通過該類加載器加載的類，無論是直接的還是間接的，都保存在自己的名字空 間中，該方法就是在該名字空間中尋找指定的類是否已存在，如果存在就返回給類的引用，否則就返回 null。這里的直接是指，存在于該類加載器的加載路徑上并由該加載器完成加載，間接是指，由該類加載器把類的加載工作委托給其他類加載器完成類的實際加 載。
- getSystemClassLoader ： Java2 中新增的方法。該方法返回系統(tǒng)使用的 ClassLoader。可以在自己定制的類加載器中通過該方法把一部分工作轉(zhuǎn)交給系統(tǒng)類加載器去處理。
- defineClass： 該方法是 ClassLoader 中非常重要的一個方法，它接收以字節(jié)數(shù)組表示的類字節(jié)碼，并把它轉(zhuǎn)換成 Class 實例，該方法轉(zhuǎn)換一個類的同時，會先要求裝載該類的父類以及實現(xiàn)的接口類。
- loadClass： 加載類的入口方法，調(diào)用該方法完成類的顯式加載。通過對該方法的重新實現(xiàn)，我們可以完全控制和管理類的加載過程。
- resolveClass： 鏈接一個指定的類。這是一個在某些情況下確保類可用的必要方法，詳見 Java 語言規(guī)范中“執(zhí)行”一章對該方法的描述。
了解了上面的這些方法，下面我們來實現(xiàn)一個定制的類加載器來完成這樣的加載流程：我們?yōu)樵擃惣虞d器指定一些必須由該類加載器直接加載的類集合，在該類加載器 進行類的加載時，如果要加載的類屬于必須由該類加載器加載的集合，那么就由它直接來完成類的加載，否則就把類加載的工作委托給系統(tǒng)的類加載器完成。
在 給出示例代碼前，有兩點內(nèi)容需要說明一下：1、要想實現(xiàn)同一個類的不同版本的共存，那么這些不同版本必須由不同的類加載器進行加載，因此就不能把這些類的 加載工作委托給系統(tǒng)加載器來完成，因為它們只有一份。2、為了做到這一點，就不能采用系統(tǒng)默認的類加載器委托規(guī)則，也就是說我們定制的類加載器的父加載器 必須設(shè)置為 null。該定制的類加載器的實現(xiàn)代碼如下：
class CustomCL extends ClassLoader {
private String basedir; // 需要該類加載器直接加載的類文件的基目錄
private HashSet dynaclazns; // 需要由該類加載器直接加載的類名
public CustomCL(String basedir, String[] clazns) {
super(null); // 指定父類加載器為 null
this.basedir = basedir;
dynaclazns = new HashSet();
loadClassByMe(clazns);
}
private void loadClassByMe(String[] clazns) {
for (int i = 0; i < clazns.length; i++) {
loadDirectly(clazns[i]);
dynaclazns.add(clazns[i]);
}
}
private Class loadDirectly(String name) {
Class cls = null;
StringBuffer sb = new StringBuffer(basedir);
String classname = name.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
sb.append(File.separator + classname);
File classF = new File(sb.toString());
cls = instantiateClass(name,new FileInputStream(classF),
classF.length());
return cls;
}
private Class instantiateClass(String name,InputStream fin,long len){
byte[] raw = new byte[(int) len];
fin.read(raw);
fin.close();
return defineClass(name,raw,0,raw.length);
}
protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
Class cls = null;
cls = findLoadedClass(name);
if(!this.dynaclazns.contains(name) && cls == null)
cls = getSystemClassLoader().loadClass(name);
if (cls == null)
throw new ClassNotFoundException(name);
if (resolve)
resolveClass(cls);
return cls;
}
}
在該類加載器的實現(xiàn)中，所有指定必須由它直接加載的類都在該 加載器實例化時進行了加載，當通過 loadClass 進行類的加載時，如果該類沒有加載過，并且不屬于必須由該類加載器加載之列都委托給系統(tǒng)加載器進行加載。理解了這個實現(xiàn)，距離實現(xiàn)類的熱替換就只有一步之 遙了，我們在下一小節(jié)對此進行詳細的講解
在本小節(jié)中，我們將結(jié)合前面講述的類加載器的特性，并在上小節(jié)實現(xiàn)的自定義類加載器的基礎(chǔ)上實現(xiàn) Java 類的熱替換。首先我們把上小節(jié)中實現(xiàn)的類加載器的類名 CustomCL 更改為 HotswapCL，以明確表達我們的意圖。
現(xiàn)在來介紹一下我們的實驗方法，為了簡單起見，我們的包為默認包，沒有層次，并且省去了所有錯誤處理。要替換的類為 Foo，實現(xiàn)很簡單，僅包含一個方法 sayHello：
public class Foo{
public void sayHello() {
System.out.println("hello world! (version one)");
}
}
在當前工作目錄下建立一個新的目錄 swap，把編譯好的 Foo.class 文件放在該目錄中。接下來要使用我們前面編寫的 HotswapCL 來實現(xiàn)該類的熱替換。具體的做法為：我們編寫一個定時器任務，每隔 2 秒鐘執(zhí)行一次。其中，我們會創(chuàng)建新的類加載器實例加載 Foo 類，生成實例，并調(diào)用 sayHello 方法。接下來，我們會修改 Foo 類中 sayHello 方法的打印內(nèi)容，重新編譯，并在系統(tǒng)運行的情況下替換掉原來的 Foo.class，我們會看到系統(tǒng)會打印出更改后的內(nèi)容。定時任務的實現(xiàn)如下（其它代碼省略，請讀者自行補齊）：
public void run(){
try {
// 每次都創(chuàng)建出一個新的類加載器
HowswapCL cl = new HowswapCL("../swap", new String[]{"Foo"});
Class cls = cl.loadClass("Foo");
Object foo = cls.newInstance();
Method m = foo.getClass().getMethod("sayHello", new Class[]{});
m.invoke(foo, new Object[]{});
} catch(Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
編譯、運行我們的系統(tǒng)，會出現(xiàn)如下的打印：
好，現(xiàn)在我們把 Foo 類的 sayHello 方法更改為：
public void sayHello() {
System.out.println("hello world! (version two)");
}
在系統(tǒng)仍在運行的情況下，編譯，并替換掉 swap 目錄下原來的 Foo.class 文件，我們再看看屏幕的打印，奇妙的事情發(fā)生了，新更改的類在線即時生效了，我們已經(jīng)實現(xiàn)了 Foo 類的熱替換。屏幕打印如下：
敏銳的讀者可能會問，為何不用把 foo 轉(zhuǎn)型為 Foo，直接調(diào)用其 sayHello 方法呢？這樣不是更清晰明了嗎？下面我們來解釋一下原因，并給出一種更好的方法。
如果我們采用轉(zhuǎn)型的方法，代碼會變成這樣：Foo foo = (Foo)cls.newInstance();
讀者如果跟隨本文進行試驗的話，會發(fā)現(xiàn)這句話會拋出 ClassCastException 異常，為什么嗎？因為在 Java
中，即使是同一個類文件，如果是由不同的類加載器實例加載的，那么它們的類型是不相同的。在上面的例子中 cls 是由 HowswapCL
加載的，而 foo 變量類型聲名和轉(zhuǎn)型里的 Foo 類卻是由 run 方法所屬的類的加載器（默認為
AppClassLoader）加載的，因此是完全不同的類型，所以會拋出轉(zhuǎn)型異常。
那么通過接口調(diào)用是不是就行了呢？我們可以定義一個 IFoo 接口，其中聲名 sayHello 方法，F(xiàn)oo 實現(xiàn)該接口。也就是這樣：IFoo foo = (IFoo)cls.newInstance();
本來該方法也會有同樣的問題的，因為外部聲名和轉(zhuǎn)型部分的 IFoo 是由 run 方法所屬的類加載器加載的，而 Foo 類定義中
implements IFoo 中的 IFoo 是由 HotswapCL 加載的，因此屬于不同的類型轉(zhuǎn)型還是會拋出異常的，但是由于我們在實例化
HotswapCL 時是這樣的：
HowswapCL cl = new HowswapCL("../swap", new String[]{"Foo"});
其中僅僅指定 Foo 類由 HotswapCL 加載，而其實現(xiàn)的 IFoo 接口文件會委托給系統(tǒng)類加載器加載，因此轉(zhuǎn)型成功，采用接口調(diào)用的代碼如下：
public void run(){
try {
HowswapCL cl = new HowswapCL("../swap", new String[]{"Foo"});
Class cls = cl.loadClass("Foo");
IFoo foo = (IFoo)cls.newInstance();
foo.sayHello();
} catch(Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
確實，簡潔明了了很多。在我們的實驗中，每當定時器調(diào)度到 run 方法時，我們都會創(chuàng)建一個新的 HotswapCL 實例，在產(chǎn)品代碼中，無需如此，僅當需要升級替換時才去創(chuàng)建一個新的類加載器實例。
在 上小節(jié)中，我們給出了一個 Java 類熱替換的實例，掌握了這項技術(shù)，就具備了實現(xiàn)在線升級系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但是，對于一個真正的產(chǎn)品系統(tǒng)來說，升級本省就是一項非常復雜的工程，如果要在線升 級，就會更加復雜。其中，實現(xiàn)類的熱替換只是最后一步操作，在線升級的要求會對系統(tǒng)的整體設(shè)計帶來深遠的影響。下面我們來談談在線升級系統(tǒng)設(shè)計方面的一些 原則：
-
在系統(tǒng)設(shè)計一開始，就要考慮系統(tǒng)的哪些部分是需要以后在線升級的，哪些部分是穩(wěn)定的。
雖然我們可以把系統(tǒng)設(shè)計成任何一部分都是可以在線升級的，但是其成本是非常高昂的，也沒有必要。因此，明確地界定出系統(tǒng)以后需要在線升級的部分是明智之舉。這些部分常常是系統(tǒng)業(yè)務邏輯規(guī)則、算法等等。
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設(shè)計出規(guī)范一致的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法。
替換一個類僅僅是在線升級系統(tǒng)所要做的工作中的一個步驟，為了使系統(tǒng)能夠在升級后正常運行，就必須保持升級前后系統(tǒng)狀態(tài)的一致性。因此，在設(shè)計時要考慮需要在線升級的部分所涉及的系統(tǒng)狀態(tài)有哪些，把這些狀態(tài)設(shè)計成便于獲取、設(shè)置和轉(zhuǎn)換的，并用一致的方式來進行。
-
明確出系統(tǒng)的升級控制協(xié)議。
這 個原則是關(guān)于系統(tǒng)在線升級的時機和流程控制的，不考慮系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)就貿(mào)然進行升級是一項非常危險的活動。因此在系統(tǒng)設(shè)計中， 就要考慮并預留出系統(tǒng)在線升級的控制點， 并定義清晰、明確的升級協(xié)議來協(xié)調(diào)、控制多個升級實體的升級次序，以確保系統(tǒng)在升級的任何時刻都處在一個確定的狀態(tài)下。
-
考慮到升級失敗時的回退機制。
即使我們做了非常縝密細致的設(shè)計，還是難以從根本上保證系統(tǒng)升級一定是成功的，對于大型分布式系統(tǒng)來說尤其如此。因此在系統(tǒng)設(shè)計時，要考慮升級失敗后的回退機制。
好了，本小節(jié)我們簡單介紹了在線升級系統(tǒng)設(shè)計時的幾個重要的原則，下一小節(jié)我們將給出一個簡單的實例，來演示一下如何來實現(xiàn)一個在線升級系統(tǒng)。
首先，我們來簡單介紹一下這個實例的結(jié)構(gòu)組成和要完成的工作。在我們的例子中，主要有三個實體，一個是升級控制實體，兩個是工作實體，都基于 ActiveObject 實現(xiàn)。
升級控制實體以 RMI 的方式對外提供了一個管理命令接口，用以接收外部的在線升級命令。工作實體有兩個消息隊列，一個用以接收分配給它的任務（我們用定時器定時給它發(fā)送任務命 令消息），我們稱其為任務隊列；另一個用于和升級控制實體交互，協(xié)作完成升級過程，我們稱其為控制隊列。工作實體中的任務很簡單，就是使用我們前面介紹的 Foo 類簡單地打印出一個字符串，不過這次字符串作為狀態(tài)保存在工作實體中，動態(tài)設(shè)置給 Foo 類的實例的。升級的協(xié)議流程如下：
當 升級控制實體接收到來自 RMI 的在線升級命令時，它會向兩個工作實體的任務隊列中發(fā)送一條準備升級消息，然后等待回應。當工作實體在任務隊列中收到準備升級消息時，會立即給升級控制實 體發(fā)送一條準備就緒消息，然后切換到控制隊列等待進一步的升級指令。升級控制實體收齊這兩個工作實體發(fā)來的準備就緒消息后，就給這兩個工作實體的控制隊列 各發(fā)送一條開始升級消息，然后等待結(jié)果。工作實體收到開始升級消息后，進行實際的升級工作，也就是我們前面講述的熱替換類。然后，給升級控制實體發(fā)送升級 完畢消息。升級控制實體收到來自兩個工作實體的升級完畢消息后，會給這兩個工作實體的控制隊列各發(fā)送一條繼續(xù)工作消息，工作實體收到繼續(xù)工作消息后，切換 到任務隊列繼續(xù)工作。升級過程結(jié)束。
主要的代碼片段如下（略去命令消息的定義和執(zhí)行細節(jié)）：
// 升級控制實體關(guān)鍵代碼
class UpgradeController extends ActiveObject{
int nready = 0;
int nfinished = 0;
Worker[] workers;
......
// 收到外部升級命令消息時，會觸發(fā)該方法被調(diào)用
public void askForUpgrade() {
for(int i=0; i<workers.length; i++)
workers[i].getTaskQueue().enqueue(new PrepareUpgradeCmd(workers[i]));
}
// 收到工作實體回應的準備就緒命令消息時，會觸發(fā)該方法被調(diào)用
public void readyForUpgrade(String worker_name) {
nready++;
if(nready == workers.length){
for(int i=0; i<workers.length; i++)
workers[i].getControlQueue().enqueue(new
StartUpgradeCmd(workers[i]));
}
}
// 收到工作實體回應的升級完畢命令消息時，會觸發(fā)該方法被調(diào)用
public void finishUpgrade(String worker_name) {
nfinished++;
if(nfinished == workers.length){
for(int i=0; i<workers.length; i++)
workers[i].getControlQueue().enqueue(new
ContineWorkCmd(workers[i]));
}
}
......
}
// 工作實體關(guān)鍵代碼
class Worker extends ActiveObject{
UpgradeController ugc;
HotswapCL hscl;
IFoo foo;
String state = "hello world!";
......
// 收到升級控制實體的準備升級命令消息時，會觸發(fā)該方法被調(diào)用
public void prepareUpgrade() {
switchToControlQueue();
ugc.getMsgQueue().enqueue(new ReadyForUpdateCMD(ugc,this));
}
// 收到升級控制實體的開始升級命令消息時，會觸發(fā)該方法被調(diào)用
public void startUpgrade(String worker_name) {
doUpgrade();
ugc.getMsgQueue().enqueue(new FinishUpgradeCMD(ugc,this));
}
// 收到升級控制實體的繼續(xù)工作命令消息時，會觸發(fā)該方法被調(diào)用
public void continueWork(String worker_name) {
switchToTaskQueue();
}
// 收到定時命令消息時，會觸發(fā)該方法被調(diào)用
public void doWork() {
foo.sayHello();
}
// 實際升級動作
private void doUpgrade() {
hscl = new HowswapCL("../swap", new String[]{"Foo"});
Class cls = hscl.loadClass("Foo");
foo = (IFoo)cls.newInstance();
foo.SetState(state);
}
}
//IFoo 接口定義
interface IFoo {
void SetState(String);
void sayHello();
}
在Foo 類第一個版本的實現(xiàn)中，只是把設(shè)置進來的字符串直接打印出來。在第二個版本中，會先把設(shè)置進來的字符串變?yōu)榇髮懀缓蟠蛴〕鰜怼＠雍芎唵危荚诒磉_規(guī)則 或者算法方面的升級變化。另外，我們并沒有提及諸如：消息超時、升級失敗等方面的異常情況，這在實際產(chǎn)品開發(fā)中是必須要考慮的。
在本文中，我們對 Java 在線升級系統(tǒng)中設(shè)計的基礎(chǔ)技術(shù)：類的熱替換，進行了詳細的講解。此外，還給出了在線升級系統(tǒng)設(shè)計時的一些主要指導原則。為了使讀者更好地理解這些技術(shù)和原 則，我們在最后給出了一個在線升級系統(tǒng)的實例。值得注意的是，構(gòu)建在線升級系統(tǒng)不僅僅是一個技術(shù)問題，還牽扯到很多管理方面的因素，比如：如何管理、部署 系統(tǒng)中的可在線升級部分和不可在線升級部分以降低系統(tǒng)的管理、維護成本等。希望本文在讀者構(gòu)建自己的在線升級系統(tǒng)時能夠提供一些幫助。
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