Spring Loaded代码热更新实践和原理分析

1、引言

开发者在编码效率和快速迭代中的痛点场景包括：

修改代码后，需要频繁重启应用，导致开发效率低下；
实时调试时，不能立即看到代码修改的结果；
大型项目中，重启的时间成本较高。

针对这些问题，本文将深入探讨如何利用Spring Loaded热更新技术提高开发效率，减少编译和重启时间。分析Spring Loaded的热更新原理，以及实际应用过程中所需的操作和注意事项。

2、框架简介

Spring Loaded is a JVM agent for reloading class file changes whilst a JVM is running. It transforms classes at loadtime to make them amenable to later reloading. Unlike 'hot code replace' which only allows simple changes once a JVM is running (e.g. changes to method bodies), Spring Loaded allows you to add/modify/delete methods/fields/constructors. The annotations on types/methods/fields/constructors can also be modified and it is possible to add/remove/change values in enum types.

Spring Loaded 是一个 JVM 代理，可以在 JVM 运行时重新加载类文件的更改。它会在加载时转换类，以便稍后重新加载。与“热代码替换”只允许在 JVM 运行时进行简单更改（例如更改方法体）不同，Spring Loaded 允许您添加/修改/删除方法/字段/构造函数。还可以修改类型/方法/字段/构造函数上的注解，并且可以添加/删除/更改枚举类型中的值。

3、如何使用

3.1 下载Agent插件

https://repo1.maven.org/maven2/org/springframework/springloaded/1.2.8.RELEASE/springloaded-1.2.8.RELEASE.jar

3.2 引入Agent插件

在jvm的启动命令中添加以下参数

-javaagent:/Users/you/runtime/springloaded-1.2.8.RELEASE.jar -noverify

3.3 修改并重新编译

修改代码后执行Build->Recompile命令，可以看到在class reloaded完成后，程序的运行逻辑发生了变化

4、原理分析

4.1 代码编译分析

先来看一段源代码，这是一个RpcService类，定义了target字段、targetStatic静态字段和say方法，现在我们编译它。

public class RpcService {

    private String target = "rpc";

    private static String targetStatic = "rpc static";

    public String say() {

        return "RpcService say hello SpringLoaded" + target;

    }

}

SpringLoaded对类编译后添加了一些跟踪记录字段，添加方法拦截判断。

public static ReloadableType r$type = TypeRegistry.getReloadableType(0, 1);

public transient ISMgr r$fields;

public static final SSMgr r$sfields;

public String hello() {

    if (r$type.changed(0) == 1) {

        return r$type.fetchLatest()).say(this);

    }

    String targetNew = TypeRegistry.instanceFieldInterceptionRequired(1, "target") ? (String)r$get(this, "target") : this.target;

    return "RpcService say hello SpringLoaded" + targetNew;

}

我们可以在代码运行时，使用getDeclaredField、getDeclaredMethod等函数在运行时获取类成员、方法信息，此时可以看到增强后的类多了如下字段和方法。

在编译后的代码中，我们可以看到RpcService类包含了一些新的字段和方法，这些都是Spring Loaded框架增加的。

•r$type是一个静态变量，其类型为ReloadableType。这个字段用于表示当前类的可重载类型，它包含了当前类的最新字节码和其他相关信息。

r$get、r$set方法是用于获取实例字段的值的方法，处理字段的拦截和替换。
___clinit___方法是用于执行类的静态初始化块的方法。
init()方法是用于处理类的构造函数的方法。
在say()方法中增加了一个代码片段用于判断类是否发生了变更，如果变更了，则调用最新的可重载类型中的say()方法获取结果。否则，继续执行原有的方法体。在方法体中，也增加了一个代码片段用于判断本地变量是否需要拦截，如果需要，则使用r$get()方法获取非静态变量traget的值，并用它替换原有的变量值。

4.2 运行过程分析

1、在应用程序启动时，Spring Loaded在目标类路径中查找所有的类，并在ClassPreProcessor中使用自定义类加载器加载这些类，重新定义后存入TypeRegistry，用于缓存、变更对比和依赖关系维护。

2、注册一个文件变化监听器FileChangeListener，当一个类文件被修改后，Spring Loaded会检测到这个变化，并重新加载该类文件。

3、当一个类被重新加载时，Spring Loaded会尝试对比类的签名和继承关系没有改变，如果新的类定义与之前的类定义兼容，那么Spring Loaded会更新应用程序中的对象引用，以指向新的类定义。

5、总结

Spring-loaded 使用 Java 的 Instrumentation API 在 JVM 启动时指定 Agent，使它能够在目标类加载之前进行拦截，并将目标类的字节码通过 ASM 库解析成抽象语法树（AST），然后对 AST 进行修改。修改的内容包括增加、删除、替换方法，修改方法体，添加字段等，最终替换目标类，改变其逻辑，实现对代码的热更新。

6、扩展内容

•Jrebel也可以实现类似热更新功能，并且它更高效、稳定。jrebel官网

•Spring-boot-devtools也可以提升开发速度，但是它的方案更像是热重启。Spring Boot Devtools Restarter 原理

•如何自己实现一个热更新功能呢？思路大同小异，实现各有千秋。如何自己实现一个热加载？如何定义自己的类加载器？

作者：京东零售程啸

来源：京东云开发者社区