對于許多關(guān)鍵性業(yè)務(wù)或者龐大的 Java 系統(tǒng)來說，如果必須暫停系統(tǒng)服務(wù)才能進(jìn)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(hù)成本。因此，如果能夠方便地在不停止系統(tǒng)業(yè)務(wù)的情況下進(jìn)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(jìn)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。

　　Java ClassLoader 技術(shù)剖析

　　在本文中，我們將不對 Java ClassLoader 的細(xì)節(jié)進(jìn)行過于詳細(xì)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(xì)細(xì)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(jìn)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)。

圖 1. Java 類加載器層次結(jié)構(gòu)圖

　　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(fù)責(zé)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(fù)責(zé) sun.boot.class.path 路徑下類的加載，默認(rèn)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(rèn)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(rèn)為環(huán)境變量 CLASSPATH 中設(shè)定的值。也可以通過 -classpath 選型進(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

圖 2. Java 類的加載過程

　　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(yīng)用類默認(rèn)情況下都是通過 AppClassLoader 進(jìn)行加載的。當(dāng)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(jìn)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(jìn)行完全的控制和管理。

　　編寫自定義的 ClassLoader

　　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(hù)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(jìn)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(jìn)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(rèn)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(jìn)行了加載，當(dāng)通過 loadClass 進(jìn)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(jìn)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(jìn)行詳細(xì)的講解

　　實現(xiàn) Java 類的熱替換

　　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(dá)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(rèn)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：

　　清單 2. 待替換的示例類

　　public class Foo{

　　public void sayHello() {

　　System.out.println("hello world! (version one)");

　　}

　　}

　　在當(dāng)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(wù)，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(wù)的實現(xiàn)如下（其它代碼省略，請讀者自行補(bǔ)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&quot;, 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：

圖 3. 熱替換前的運行結(jié)果

　　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)&quot;);

　　}

　　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：

圖 4. 熱替換后的運行結(jié)果

　　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(jìn)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(rèn)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，Foo 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：

　　清單 4. 采用接口調(diào)用的代碼

　　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(dāng)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(dāng)需要升級替換時才去創(chuàng)建一個新的類加載器實例。

　　在線升級系統(tǒng)的設(shè)計原則

　　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(fù)雜的工程，如果要在線升級，就會更加復(fù)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(yuǎn)的影響。下面我們來談?wù)勗诰€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(wù)邏輯規(guī)則、算法等等。

　　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(jìn)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(jī)和流程控制的，不考慮系統(tǒng)的當(dāng)前運行狀態(tài)就貿(mào)然進(jìn)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(yù)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(jī)制。

　　即使我們做了非常縝密細(xì)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(jī)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)。

　　在線升級系統(tǒng)實例

　　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(wù)（我們用定時器定時給它發(fā)送任務(wù)命令消息），我們稱其為任務(wù)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(wù)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(dāng)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(wù)隊列中發(fā)送一條準(zhǔn)備升級消息，然后等待回應(yīng)。當(dāng)工作實體在任務(wù)隊列中收到準(zhǔn)備升級消息時，會立即給升級控制實體發(fā)送一條準(zhǔn)備就緒消息，然后切換到控制隊列等待進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(wù)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(xì)節(jié)）：

　　清單 5. 主要的代碼片段

　　// 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(yīng)的準(zhǔn)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(yīng)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)來的字符串變?yōu)榇髮懀缓蟠蛴〕鰜怼＠雍芎唵危荚诒磉_(dá)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(jìn)行了詳細(xì)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(dǎo)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(hù)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。