热加载 hotswap-classloader

简介

什么是 hotswap-classloader？

hotswap-classloader 是由笔者 litongjava 开发的一款 Java 动态类加载器。其核心功能是在 Java 应用运行时动态地更换或更新类定义，而无需重启整个 JVM。这种热替换（Hot Swapping）能力对于开发过程中的快速迭代和测试尤为有用，因为它显著减少了等待应用重启的时间。

为什么将 hotswap-classloader 与 tio-boot 结合使用？

将 hotswap-classloader 与 tio-boot 结合使用，可以为 Java 网络应用开发带来以下关键优势：

1. 快速迭代和测试：通过使用 hotswap-classloader，开发者可以在不重启服务器的情况下实时更新类文件，实现快速迭代和即时测试。
2. 提高开发效率：减少了重启应用程序所需的时间，开发者可以更加专注于代码的编写和改进，从而提高工作效率。
3. 支持敏捷开发：在敏捷开发模式下，频繁的更改和测试是常态。hotswap-classloader 的动态加载能力使得这一过程更加流畅和高效。

总的来说，结合使用 hotswap-classloader 和 tio-boot 不仅提高了开发效率，而且增强了网络应用开发的灵活性和便利性。这对于希望快速迭代和改进其网络应用的开发团队来说，是一个非常有价值的组合。

整合热加载

整合热加载的步骤

1. 添加依赖

   在项目的 pom.xml 文件中添加以下依赖：

   <dependency>
     <groupId>com.litongjava</groupId>
     <artifactId>hotswap-classloader</artifactId>
     <!-- https://central.sonatype.com/artifact/com.litongjava/hotswap-classloader -->
     <version>${hotswap-classloader.version}</version>
   </dependency>
   

2. 使用 TioApplicationWrapper 启动服务

   在启动类中使用 TioApplicationWrapper 来启动应用：

   import com.litongjava.hotswap.wrapper.tio.boot.TioApplicationWrapper;
   import com.litongjava.jfinal.aop.annotation.AComponentScan;
   
   @AComponentScan
   public class HelloApp {
     public static void main(String[] args) {
       long start = System.currentTimeMillis();
       TioApplicationWrapper.run(HelloApp.class, args);
       long end = System.currentTimeMillis();
       System.out.println((end - start) + "ms");
     }
   }
   

3. 启动热加载

   • 在启动类的程序参数（Program arguments）中添加启动参数 --mode=dev，或者在配置文件中添加对应的配置。
   • TioApplicationWrapper 会自动判断是否启用热加载。判断逻辑是：如果 ClassLoader 的 URL 中包含 /target/classes/，则是开发环境,开启热加载；否则不是生产环境，不开启

测试热加载效果

• 在 Eclipse IDE 中：保存文件即可触发热加载，实时查看效果。
• 在 IDEA 环境中：需要在运行时手动编译（Build -> Recompile）文件才能看到效果。

日志示例

```log
2024-09-15 13:48:09.531 [main] INFO  c.l.h.w.t.b.TioApplicationWrapper.runDev:75 - start hotswap watcher:Thread[HotSwapWatcher,10,main]
2024-09-15 13:48:09.540 [main] INFO  c.l.h.w.t.b.TioApplicationWrapper.runDev:82 - new hotswap class loader:com.litongjava.hotswap.classloader.HotSwapClassLoader@7cf10a6f
2024-09-15 13:48:09.578 [main] INFO  c.l.t.u.e.EnvUtils.load:171 - app.env:null
2024-09-15 13:48:09.611 [main] INFO  c.l.j.a.s.ComponentScanner.findClasses:72 - resource:file:/E:/code/java/project-litongjava/tio-boot-web-hello/target/classes/com/litongjava/tio/web/hello
2024-09-15 13:48:09.671 [main] INFO  c.l.t.u.Threads.getTioExecutor:93 - new worker thead pool:com.litongjava.tio.utils.thread.pool.SynThreadPoolExecutor@612679d6[Running, pool size = 1, active threads = 1, queued tasks = 0, completed tasks = 0]
2024-09-15 13:48:09.676 [main] INFO  c.l.t.u.Threads.getGroupExecutor:51 - new group thead pool:java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@52f759d7[Running, pool size = 0, active threads = 0, queued tasks = 0, completed tasks = 0]

2024-09-15 13:48:09.698 [main] INFO  c.l.t.b.c.TioApplicationContext.run:278 - init:57(ms),scan class:17(ms),config:50(ms),server:13(ms),http route:16(ms)
2024-09-15 13:48:09.698 [main] INFO  c.l.t.b.c.TioApplicationContext.printUrl:295 - port:80
http://localhost
363ms

2024-09-15 13:48:46.892 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.h.w.HotSwapWatcher.process:156 - watch event ENTRY_MODIFY,IndexController.class
2024-09-15 13:48:46.893 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.h.w.HotSwapWatcher.process:165 - restart server:com.litongjava.hotswap.wrapper.tio.boot.TioBootRestartServer@126afc98
loading
2024-09-15 13:48:46.893 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.t.b.c.TioApplicationContext.close:317 - stop server
2024-09-15 13:48:46.894 [tio-group-2] INFO  c.l.t.s.AcceptCompletionHandler.failed:132 - The server will be shut down and no new requests will be accepted:0.0.0.0:80
2024-09-15 13:48:46.895 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.t.u.Threads.close:177 - shutdown group thead pool:java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@52f759d7[Terminated, pool size = 0, active threads = 0, queued tasks = 0, completed tasks = 7]
2024-09-15 13:48:46.896 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.t.u.Threads.close:188 - shutdown worker thead pool:com.litongjava.tio.utils.thread.pool.SynThreadPoolExecutor@612679d6[Terminated, pool size = 0, active threads = 0, queued tasks = 0, completed tasks = 2]
2024-09-15 13:48:46.896 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.t.s.TioServer.stop:141 - 0.0.0.0:80 stopped
2024-09-15 13:48:46.898 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.h.w.t.b.TioBootRestartServer.restart:33 - new classLoader:com.litongjava.hotswap.classloader.HotSwapClassLoader@5ff60e5f
2024-09-15 13:48:46.904 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.t.u.e.EnvUtils.load:171 - app.env:null
2024-09-15 13:48:46.904 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.j.a.s.ComponentScanner.findClasses:72 - resource:file:/E:/code/java/project-litongjava/tio-boot-web-hello/target/classes/com/litongjava/tio/web/hello
2024-09-15 13:48:46.912 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.t.u.Threads.getTioExecutor:93 - new worker thead pool:com.litongjava.tio.utils.thread.pool.SynThreadPoolExecutor@6bb1b24e[Running, pool size = 1, active threads = 1, queued tasks = 0, completed tasks = 0]
2024-09-15 13:48:46.913 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.t.u.Threads.getGroupExecutor:51 - new group thead pool:java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor@6c0d059c[Running, pool size = 0, active threads = 0, queued tasks = 0, completed tasks = 0]

2024-09-15 13:48:46.917 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.t.b.c.TioApplicationContext.run:278 - init:5(ms),scan class:3(ms),config:5(ms),server:1(ms),http route:4(ms)
2024-09-15 13:48:46.917 [pool-1-thread-1] INFO  c.l.t.b.c.TioApplicationContext.printUrl:295 - port:80
http://localhost
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热加载的实现原理

1. 动态类加载

hotswap-classloader 通过自定义 ClassLoader，实现了在运行时动态加载和替换类的功能。当检测到 class 文件发生变化时，创建一个新的 ClassLoader 来加载更新后的类定义，并使用反射机制重新初始化应用上下文。

2. 文件监控

使用 Java NIO 的 WatchService 监控 class 文件的变动。当检测到文件修改事件时，触发热加载流程。

3. 自定义线程池

由于 NIO2 的默认线程池不支持热加载，为了避免线程池中的线程持有旧的 ClassLoader 导致类无法卸载的问题，hotswap-classloader 使用了自定义的线程池 tio-group。在热加载时，旧的线程池会被安全地关闭，新的线程池会随新的 ClassLoader 一起创建。

4. 生产环境优化

在生产环境中，TioApplicationWrapper 会自动检测运行模式，避免加载热加载相关的功能，从而不引入额外的性能损耗。生产环境中，仍然使用 NIO 的默认线程池，确保性能和稳定性。

更多使用说明

有关热加载的更多使用细节和高级配置，请参考官方文档：

https://github.com/litongjava/hotswap-classloader

部署注意事项

• 禁用热加载：在部署到生产环境时，不要在程序参数中添加 --mode=dev。TioApplicationWrapper 会调用 TioApplication 来启动项目，不会启用热加载功能。
• 性能考虑：理论上，生产环境不会有多余的性能损耗，因为 TioApplicationWrapper 仅在启动时判断了运行模式和 classpath 路径。

增加对 fastjson2 的支持

问题描述：

在启用了 TioApplicationWrapper 后，出现了以下错误：

java.lang.ClassCastException: com.litongjava.maxkb.vo.MaxKbApplicationNoReferencesSetting cannot be cast to com.litongjava.maxkb.vo.MaxKbApplicationNoReferencesSetting
    at com.alibaba.fastjson2.reader.ORG_9_5_MaxKbDatasetSettingVo.readObject(Unknown Source)
    at com.alibaba.fastjson2.reader.ORG_8_18_MaxKbApplicationVo.readObject(Unknown Source)
    at com.alibaba.fastjson2.JSON.parseObject(JSON.java:864)
    at com.litongjava.tio.utils.json.FastJson2.parse(FastJson2.java:42)
    at com.litongjava.tio.utils.json.MixedJson.parse(MixedJson.java:28)
    at com.litongjava.tio.utils.json.JsonUtils.parse(JsonUtils.java:20)

原因分析：

1. 错误原因：

   这个 ClassCastException 异常是由于同一个类 com.litongjava.maxkb.vo.MaxKbApplicationNoReferencesSetting 被不同的类加载器加载了多次。即使类的全限定名相同，但如果由不同的类加载器加载，JVM 会认为它们是不同的类，因而无法进行类型转换。

2. 与类加载器的关系：

   与类加载器直接相关。启用了 hotswapclassloader 后，为了实现热加载，每次都会创建一个新的加载器实现类的加载。这样，在类型转换时，JVM 会检测到类型不兼容，从而抛出 ClassCastException。

3. 关于父类加载器的影响：

   正常情况下，如果类都是由同一个类加载器或其父类加载器加载的，那么 JVM 会认为这些类是相同的，类型转换也不会出现问题。这是因为 Java 的类加载机制遵循父委派模型，父类加载器加载的类对子类加载器是可见的。

---

解决方案：

为了避免上述问题，需要确保特定的类由父类加载器加载，而不是 hotswapclassloader 加载器重复加载。可以通过以下方式指定需要由系统类加载器（父类加载器）加载的类：

package com.litongjava.maxkb;

import com.litongjava.annotation.AComponentScan;
import com.litongjava.hotswap.watcher.HotSwapResolver;
import com.litongjava.hotswap.wrapper.tio.boot.TioApplicationWrapper;

@AComponentScan
public class MaxKbApp {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        // 指定需要由系统类加载器加载的类的包名前缀
        HotSwapResolver.addSystemClassPrefix("com.litongjava.maxkb.vo.");
        TioApplicationWrapper.run(MaxKbApp.class, args);
        // 如果不需要热加载功能，可以直接使用以下方式启动
        // TioApplication.run(MaxKbApp.class, args);
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println((end - start) + "ms");
    }
}

解释：

• HotSwapResolver.addSystemClassPrefix("com.litongjava.maxkb.vo.");：

  这行代码的作用是告诉热加载器，对于包名以 com.litongjava.maxkb.vo. 开头的类，不要进行热加载，而是由系统类加载器（父类加载器）加载。这样可以避免这些类被重复加载，从而避免 ClassCastException。

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总结：

• 避免类重复加载：确保关键的类只被一个类加载器加载，特别是避免由多个并行的类加载器加载同名的类。

• 合理配置热加载器：在使用热加载功能时，需要仔细配置哪些类需要热加载，哪些类不需要。对于不需要热加载的类，尤其是涉及到类型转换和序列化的类，应该由系统类加载器加载。

• 理解类加载机制：深入理解 Java 的类加载机制和双亲委派模型，有助于在开发过程中避免类似的问题。

---

通过以上方法，您应该能够解决 ClassCastException 问题，确保应用程序正常运行。

总结

通过整合 hotswap-classloader，开发者可以在不重启应用的情况下实时更新代码，大大提高了开发效率。同时，得益于对生产环境的优化处理，热加载机制不会对线上应用的性能和稳定性造成影响。

如果是 Eclipse IDE,保持一个文件即可测试加载效果,如果是 IDEA 环境需要再运行时手动编译(Build-->Recompile)文件才可以看到效果