Java 自定义 ClassLoader 实现隔离运行不同版本jar包的方式

Java 自定义 ClassLoader 实现隔离运行不同版本jar包的方式

1. 应用场景
有时候我们需要在一个 Project 中运行多个不同版本的 jar 包，以应对不同集群的版本或其它的问题。如果这个时候选择在同一个项目中实现这样的功能，那么通常只能选择更低版本的 jar 包，因为它们通常是向下兼容的，但是这样也往往会失去新版本的一些特性或功能，所以我们需要以扩展的方式引入这些 jar 包，并通过隔离执行，来实现版本的强制对应。

2. 实现
在 Java 中，所有的类默认通过 ClassLoader 加载，而 Java 默认提供了三层的 ClassLoader，并通过双亲委托模型的原则进行加载，其基本模型与加载位置如下（更多ClassLoader相关原理请自行搜索）：

ClassLoader

Java 中默认的 ClassLoader 都规定了其指定的加载目录，一般也不会通过 JVM 参数来使其加载自定义的目录，所以我们需要自定义一个 ClassLoader 来加载装有不同版本的 jar 包的扩展目录，同时为了使运行扩展的 jar 包时，与启动项目实现绝对的隔离，我们需要保证他们所加载的类不会有相同的 ClassLoader，根据双亲委托模型的原理可知，我们必须使自定义的 ClassLoader 的 parent 为 null，这样不管是 JRE 自带的 jar 包或一些基础的 Class 都不会委托给 App ClassLoader（当然仅仅是将 Parent 设置为 null 是不够的，后面会说明）。与此同时这些实现了不同版本的 jar 包，是经过二次开发后的可以独立运行的项目。

2.1 实例
现在假定有这样一个需求，实现针对集群（比如 Hadoop 集群）版本为 V1 与 V2 的对应的执行程序，那么假定有如下项目：

Executor-Parent: 提供基础的 Maven 引用，可利用 Maven 一键打包所有的子模块/项目
Executor-Common: 提供基础的接口，已经有公有的实现等
Executor-Proxy: 执行不同版本程序的代理程序
Executor-V1: 版本为V1的执行程序
Executor-V2: 版本为V2的执行程序

这里为了更凸显 ClassLoader 的实现，不做 Executor-Parent 的实现，同时为了简便，也没有设置包名。

1) Executor-Common
在 Executor-Common 中提供一个接口，声明执行的具体方法：

public interface Executor {
    void execute(final String name);
}

这里的方法使用了基础类型 String，实际中可能会使用自定义的类型，那么在 Porxy 的实现中则需要使用自定义的 ClassLoader 来加载参数，并使用反射来获取方法（后面会有一个简单的示例）。回到之前的示例，这里同时提供一个抽象的实现类：

public class AbstractExecutor implements Executor {

    @Override
    public void execute(final String name) {
        this.handle(new Handler() {
            @Override
            public void handle() {
                System.out.println("V:" + name);
            }
        });
    }

    protected void handle(Handler handler) {
        handler.call();
    }

    protected abstract class Handler {
        public void call() {
            ClassLoader oldClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            // 临时更改 ClassLoader
            Thread.currentThread().setContextClassLoader(AbstractExecutor.class.getClassLoader());

            handle();

            // 还原为之前的 ClassLoader
            Thread.currentThread().setContextClassLoader(oldClassLoader);
        }

        public abstract void handle();
    }
}

这里需要临时更改当前线程的 ContextClassLoader, 以应对扩展程序中可能出现的如下代码：

ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();

classLoader.loadClass(...);

因为它们会获取当前线程的 ClassLoader 来加载 class，而当前线程的ClassLoader极可能是App ClassLoader而非自定义的ClassLoader, 也许是为了安全起见，但是这会导致它可能加载到启动项目中的class（如果有），或者发生其它的异常，所以我们在执行时需要临时的将当前线程的ClassLoader设置为自定义的ClassLoader，以实现绝对的隔离执行。

2) Executor-V1 & Executor-V2
Executor-V1 和 Executor-V2 依赖了 Executor-Common.jar，并实现了 Executor 接口的方法：

public class ExecutorV1 extends AbstractExecutor {

    @Override
    public void execute(final String name) {
        this.handle(new Handler() {
            @Override
            public void handle() {
                System.out.println("V1:" + name);
            }
        });
    }

}

public class ExecutorV2 extends AbstractExecutor {

    @Override
    public void execute(final String name) {
        this.handle(new Handler() {
            @Override
            public void handle() {
                System.out.println("V2:" + name);
            }
        });
    }

}

这里仅仅是打印了它们的版本信息，实际中，它们可能需要引入不同的版本的 Jar 包，然后根据这些 Jar 包完成相应的操作。

3) Executor-Proxy
Executor-Proxy 利用自定义的 ClassLoader 和反射来实现加载与运行 ExecutorV1 和 ExecutorV2 中 Executor 接口的实现，而 ExecutorV1 和 ExecutorV2 将以 jar 包的形式被分别放置在 ${Executor-Proxy_HOME}\ext\v1 和 ${Executor-Proxy_HOME}\ext\v2 目录下，其中自定义的 ClassLoader 实现如下：

public class StandardExecutorClassLoader extends URLClassLoader {
    private final static String baseDir = System.getProperty("user.dir") + File.separator + "ext" + File.separator;

    public StandardExecutorClassLoader(String version) {
        super(new URL[] {}, null); // 将 Parent 设置为 null

        loadResource(version);
    }

    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 测试时可打印看一下
        System.out.println("Class loader: " + name);

        return super.loadClass(name);
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            return super.findClass(name);
        } catch(ClassNotFoundException e) {
            return StandardExecutorClassLoader.class.getClassLoader().loadClass(name);
        }
    }

    private void loadResource(String version) {
        String jarPath = baseDir + version;

        // 加载对应版本目录下的 Jar 包
        tryLoadJarInDir(jarPath);
        // 加载对应版本目录下的 lib 目录下的 Jar 包
        tryLoadJarInDir(jarPath + File.separator + "lib");
    }

    private void tryLoadJarInDir(String dirPath) {
        File dir = new File(dirPath);
        // 自动加载目录下的jar包
        if (dir.exists() && dir.isDirectory()) {
            for (File file : dir.listFiles()) {
                if (file.isFile() && file.getName().endsWith(".jar")) {
                    this.addURL(file);
                    continue;
                }
            }
        }
    }

    private void addURL(File file) {
        try {
            super.addURL(new URL("file", null, file.getCanonicalPath()));
        } catch (MalformedURLException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

StandardExecutorClassLoader 在实例化时，会自动加载扩展目录下与其lib目录下的 jar 包，这里之所以要加载 lib 目录下的 jar，是为了加载扩展的依赖包。

有了StandardExecutorClassLoader，我们还需要一个调用各版本程序的代理类ExecutorPorxy，其实现如下：

import java.lang.reflect.Method;

public class ExecutorProxy implements Executor {
    private String version;
    private StandardExecutorClassLoader classLoader;

    public ExecutorProxy(String version) {
        this.version = version;
        classLoader = new StandardExecutorClassLoader(version);
    }

    @Override
    public void execute(String name) {
        try {
            // Load ExecutorProxy class
            Class<?> executorClazz = classLoader.loadClass("Executor" + version.toUpperCase());

            Object executorInstance = executorClazz.newInstance();
            Method method = executorClazz.getMethod("execute", String.class);

            method.invoke(executorInstance, name);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

这里是一个比较简单的实现，因为通过反射调用的方法的参数是基本类型，在实际中，更多的可能是自定义的参数，那么这时候则需要先通过自定义的 ClassLoader 加载其 Class，然后才能去获取对应的方法，下面是一个省去上下文的一个例子（不能直接运行）：

public void call() throws IOException {
    try {
        // Load HBaseApi class
        Class<?> hbaseApiClazz = loadHBaseApiClass();
        Object hbaseApiInstance = hbaseApiClazz.newInstance();

        // Load parameter class
        Class<?> paramClazz = classLoader.loadClass(VO_PACKAGE_PATH + "." + sourceParame.getClass().getSimpleName());

        // Transition parameter to targeParameter from sourceParameter
        Object targetParam = BeanUtils.transfrom(paramClazz, sourceParame);

        // Get function
        Method method = hbaseApiClazz.getMethod(methodName, paramClazz);
        // Invoke function by targetParam
        method.invoke(hbaseApiInstance, targetParam);

    } catch(ClassNotFoundException | NoSuchMethodException | SecurityException | InstantiationException | IllegalAccessException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (IllegalArgumentException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
    } catch (InvocationTargetException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
    }
}

3. 运行
将ExecutorV1 和 ExecutorV2分别打包，并将其打包后的 jar包与其依赖（lib目录下）放入 Executor-Proxy 项目的 ext\v1 和 ext\v2 目录下，在 Executor-Proxy 项目中则可以使用 Junit 进行测试：

public class ExecutorTest {

    @Test
    public void testExecuteV1() {

        Executor executor = new ExecutorProxy("v1");

        executor.execute("TOM");
    }

    @Test
    public void testExecuteV2() {

        Executor executor = new ExecutorProxy("v2");

        executor.execute("TOM");
    }

}

打印结果最终分别如下：

execute testExecuteV1():

V1:TOM

execute testExecuteV2():

V2:TOM

4. 总结
总的来说，实现隔离允许指定 jar 包，主要需要做到以下几点：

自定义 ClassLoader，使其 Parent = null，避免其使用系统自带的 ClassLoader 加载 Class。
在调用相应版本的方法前，更改当前线程的 ContextClassLoader，避免扩展包的依赖包通过Thread.currentThread().getContextClassLoader()获取到非自定义的 ClassLoader 进行类加载
通过反射获取 Method 时，如果参数为自定义的类型，一定要使用自定义的 ClassLoader 加载参数获取 Class，然后在获取 Method，同时参数也必须转化为使用自定义的 ClassLoade 加载的类型（不同 ClassLoader 加载的同一个类不相等）
实际运用中，往往容易做到第一点或第三点，而忽略第二点，比如使用 HBase 相关包时。

当然，这只是一种解决的方式，我们仍然可以使用微服务来达到同样甚至更棒的效果，

以上。

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