JVM CDS AppCDS在Spring Boot devtools热重启后缓存类指纹变化失效？DevToolsRestart与ClassFileTransformer - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，我们开始吧。

JVM CDS AppCDS在Spring Boot Devtools热重启后缓存类指纹变化失效？DevToolsRestart与ClassFileTransformer

今天我们来深入探讨一个在Spring Boot开发中可能会遇到的问题，即JVM Class Data Sharing (CDS) 与 Application CDS (AppCDS) 在结合Spring Boot Devtools热重启功能时，可能出现的类指纹变化导致缓存失效的问题。这个问题涉及到多个技术点，包括JVM CDS/AppCDS的原理、Spring Boot Devtools的热重启机制，以及 ClassFileTransformer 的使用。我们将通过原理分析、代码示例以及解决方案探讨，来帮助大家更好地理解和解决这个问题。

1. JVM CDS/AppCDS 基础

首先，我们需要了解JVM CDS和AppCDS的基本概念。

Class Data Sharing (CDS): CDS 是 JVM 的一项优化技术，旨在通过在多个 JVM 实例之间共享类元数据来减少 JVM 的启动时间和内存占用。它将一些核心的启动类信息预先加载到共享存档中，JVM 启动时可以直接从这个存档中读取，避免重复解析和加载这些类。
Application CDS (AppCDS): AppCDS 是 CDS 的扩展，允许我们将应用程序自定义的类也加入到共享存档中。这样，应用程序启动时也可以直接从存档中加载这些类，进一步提升启动速度。

CDS 的工作原理

存档创建: 通过特定的 JVM 命令 (-Xshare:dump) 创建一个包含已加载类元数据的共享存档文件。
JVM 启动: JVM 启动时，通过 -Xshare:auto 或 -Xshare:on 参数启用 CDS，并加载共享存档。
类加载: JVM 首先尝试从共享存档中加载类，如果找到，则直接使用存档中的元数据，否则按照正常的类加载流程进行。

AppCDS 的优势

启动速度提升: 通过共享类元数据，显著减少了 JVM 的启动时间。
内存占用降低: 多个 JVM 实例可以共享同一份类元数据，降低了内存占用。

2. Spring Boot Devtools 热重启

Spring Boot Devtools 提供了一系列开发时便利的功能，其中最核心的就是热重启 (Restart)。热重启允许我们在修改代码后，无需手动重启整个应用程序，Devtools 会自动重启应用，从而快速看到修改后的效果。

热重启的实现机制

Devtools 的热重启并非真正的 JVM 重启，而是一种巧妙的类加载器隔离机制。它创建了两个类加载器：

Base ClassLoader: 用于加载不会频繁变动的类，例如 Spring 框架的类，第三方库的类等。
Restart ClassLoader: 用于加载应用程序自己的类，这些类在开发过程中会经常被修改。

当检测到代码变更时，Devtools 会卸载 Restart ClassLoader，创建一个新的 Restart ClassLoader，并重新加载应用程序的类。由于 Base ClassLoader 中的类没有被卸载，所以可以减少重启的时间。

3. 问题：AppCDS 与 Devtools 热重启的冲突

现在，让我们来看看 AppCDS 和 Devtools 热重启结合使用时可能出现的问题。

当我们使用 AppCDS 创建了共享存档后，应用程序的类元数据就被缓存到了存档中。但是，在开发过程中，我们经常会修改代码，这会导致类的指纹 (例如类的定义、方法、字段等) 发生变化。

当 Devtools 进行热重启时，Restart ClassLoader 会重新加载应用程序的类，这意味着新的类定义与 AppCDS 存档中缓存的类定义可能不一致。尽管Devtools会尝试重新加载类，但是JVM可能仍然使用AppCDS中的缓存，导致应用程序的行为不符合预期，甚至出现错误。

根本原因:

AppCDS 缓存了类的元数据，包括类的指纹。
Devtools 热重启修改了类的指纹。
JVM 可能仍然使用 AppCDS 中的旧的类元数据，导致冲突。

4. ClassFileTransformer 的介入

ClassFileTransformer 是 Java Instrumentation API 的一部分，它允许我们在类加载时动态修改类的字节码。Spring Boot Devtools 也利用了 ClassFileTransformer 来实现一些高级功能，例如自动配置的检测和类路径的监视。

如果我们在应用程序中使用了自定义的 ClassFileTransformer，那么情况会变得更加复杂。 ClassFileTransformer 修改后的类，其指纹与原始类也会发生变化。如果AppCDS缓存的是原始类的元数据，那么 ClassFileTransformer 修改后的类在热重启后也可能会出现问题。

代码示例：一个简单的 ClassFileTransformer

import java.lang.instrument.ClassFileTransformer;
import java.lang.instrument.IllegalClassFormatException;
import java.security.ProtectionDomain;

public class MyClassFileTransformer implements ClassFileTransformer {

    @Override
    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
                            ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
        // 这里可以修改类的字节码
        // 例如，添加一个字段或修改一个方法
        System.out.println("Transforming class: " + className);
        return classfileBuffer; // 这里只是简单地返回原始字节码，不做任何修改
    }
}

如何使用 ClassFileTransformer

创建一个实现了 ClassFileTransformer 接口的类。
编写一个 Java Agent，在 premain 或 agentmain 方法中注册 ClassFileTransformer。
在 JVM 启动时，通过 -javaagent 参数指定 Java Agent。

问题分析

如果 ClassFileTransformer 修改了类的字节码，那么类的指纹就会发生变化。
如果 AppCDS 缓存的是原始类的元数据，那么在热重启后，JVM 可能会使用 AppCDS 中的旧的元数据，导致 ClassFileTransformer 的修改失效。

5. 解决方案

针对上述问题，我们可以采取以下几种解决方案：

禁用 AppCDS: 最简单的解决方案是禁用 AppCDS。在开发环境中，AppCDS 的性能提升可能并不明显，禁用它可以避免潜在的冲突。
- 方法: 在 JVM 启动参数中移除 -Xshare:auto 或 -Xshare:on 参数。
细粒度控制 AppCDS: 只将一些不经常变动的类加入到 AppCDS 存档中。可以通过配置类列表文件来控制哪些类被加入到存档中。
- 步骤:
  1. 创建一个类列表文件 (例如 classlist.txt)，其中包含要加入到存档中的类的完全限定名，每行一个类名。
  2. 在创建存档时，使用 -XX:DumpLoadedClassesList=classlist.txt 参数。
  3. 在 JVM 启动时，使用 -XX:SharedClassListFile=classlist.txt 参数。
手动刷新 AppCDS 存档: 在每次代码变更后，手动删除 AppCDS 存档，并重新创建。这种方法比较繁琐，但可以确保 AppCDS 存档中的数据与最新的代码一致。
- 步骤:
  1. 删除共享存档文件 (例如 classes.jsa)。
  2. 重新运行 -Xshare:dump 命令创建新的存档。
Devtools 配置文件排除: 通过配置 spring-devtools.properties 文件，排除特定的包或类不进行热重启。这样可以减少热重启的频率，降低 AppCDS 缓存失效的概率。
```
spring.devtools.restart.exclude=com.example.excludepackage/**
```
自定义 RestartInitializer: Spring Boot Devtools 提供了 RestartInitializer 接口，允许我们在热重启时执行一些自定义的初始化操作。我们可以利用这个接口来刷新 AppCDS 缓存。 (这种方式实现难度较高)
- 步骤:
  1. 创建一个实现了 RestartInitializer 接口的类。
  2. 在 initialize 方法中，编写刷新 AppCDS 缓存的逻辑。
  3. 将该类注册为 Spring Bean。

使用条件化的 ClassFileTransformer: 只在非开发环境下注册 ClassFileTransformer，或者在 ClassFileTransformer 中添加条件判断，只对特定的类进行转换。

@Component
@ConditionalOnProperty(name = "my.transformer.enabled", havingValue = "true", matchIfMissing = false)
public class MyClassFileTransformer implements ClassFileTransformer {

    @Override
    public byte[] transform(ClassLoader loader, String className, Class<?> classBeingRedefined,
                            ProtectionDomain protectionDomain, byte[] classfileBuffer) throws IllegalClassFormatException {
        // 只对特定的类进行转换
        if (className.startsWith("com/example/target")) {
            System.out.println("Transforming class: " + className);
            // 修改类的字节码
        }
        return classfileBuffer;
    }
}

表格总结解决方案

解决方案	优点	缺点	适用场景
禁用 AppCDS	简单直接，彻底解决冲突	牺牲了启动速度和内存占用	开发环境
细粒度控制 AppCDS	兼顾了性能和灵活性，只缓存不经常变动的类	需要仔细配置类列表文件	测试环境，生产环境
手动刷新 AppCDS 存档	确保 AppCDS 存档中的数据与最新的代码一致	繁琐，需要手动操作	代码变更不频繁的环境
Devtools 配置文件排除	减少热重启的频率，降低 AppCDS 缓存失效的概率	可能影响开发效率，需要仔细配置排除规则	代码变更集中在某些包或类的环境中
自定义 `RestartInitializer`	可以在热重启时执行自定义的初始化操作，灵活控制 AppCDS 缓存	实现难度较高，需要深入了解 AppCDS 的工作原理	需要对 AppCDS 缓存进行精细控制的场景
使用条件化的 `ClassFileTransformer`	只在非开发环境下注册 `ClassFileTransformer`，避免了开发环境中的冲突	需要配置环境变量或属性	开发环境和生产环境配置不同的 `ClassFileTransformer`

6. 最佳实践建议

开发环境禁用 AppCDS: 在开发环境中，为了提高开发效率，建议禁用 AppCDS。
生产环境谨慎使用 AppCDS: 在生产环境中，如果需要使用 AppCDS，建议仔细评估其对应用程序的影响，并进行充分的测试。
监控 AppCDS 的状态: 可以通过 JVM 的监控工具来监控 AppCDS 的状态，例如是否启用了 AppCDS，以及 AppCDS 的命中率。
记录热重启日志: 在热重启时，记录详细的日志，方便排查问题。

类指纹变化与AppCDS缓存失效的应对

总结一下，JVM CDS/AppCDS 在 Spring Boot Devtools 热重启后缓存类指纹变化失效的问题，主要是由于 AppCDS 缓存了类的元数据，而 Devtools 热重启会修改类的指纹。针对这个问题，我们可以采取多种解决方案，例如禁用 AppCDS、细粒度控制 AppCDS、手动刷新 AppCDS 存档、配置 Devtools 排除规则、自定义 RestartInitializer 以及使用条件化的 ClassFileTransformer。在实际应用中，我们需要根据具体情况选择合适的解决方案。

解决问题的关键思路

要解决这个问题，核心在于理解 AppCDS 的缓存机制和 Devtools 热重启的原理，并采取相应的措施来避免两者之间的冲突。理解这些技术细节，才能更好地应对开发过程中遇到的各种问题。

发表回复 取消回复

发表回复取消回复