一篇文章講透Tomcat的類加載機制

更新時間：2021年11月18日 11:19:38 作者：馬坤鵬 / 孫玄

Tomcat的類加載機制是違反了雙親委托原則的,對于一些未加載的非基礎(chǔ)類,各個web應用自己的類加載器會優(yōu)先加載,加載不到時再交給commonClassLoader走雙親委托,這篇文章主要給大家介紹了如何通過一篇文章講透Tomcat的類加載機制的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

- 前言 -

你了解 Apache Tomcat 的類加載機制嗎？本文將從底層原理切入，徹底揭秘 Tomcat 類加載所涉及的源碼、機制和方案，助你深入掌握 Tomcat 類加載核心！

- JVM 類加載器 -

1、JVM類加載器

說起 Tomcat 類加載器，就不得不先簡單說一下 JVM 類加載器，如下圖所示：

啟動類加載器：Bootstrap ClassLoader，用于加載JVM提供的基礎(chǔ)運行類，即位于%JAVA_HOME%/jre/lib目錄下的核心類庫；
擴展類加載器：Extension ClassLoader， Java提供的一個標準的擴展機制用于加載除核心類庫外的Jar包，即只要復制到指定的擴展目錄（可以多個）下的Jar, JVM會自動加載（不需要通過-classpath指定）。默認的擴展目錄是％JAVA_HOME%加e/lib/ext。典型的應用場景就是，Java使用該類加載器加載JVM默認提供的但是不屬于核心類庫的Jar。不推薦將應用程序依賴的類庫放置到擴展目錄下，因為該目錄下的類庫對所有基于該JVM運行的應用程序可見；
應用程序類加載器：Application ClassLoader ，用于加載環(huán)境變量CLASSPATH （不推薦使用）指定目錄下的或者-classpath運行參數(shù)指定的Jar包。System類加載器通常用于加載應用程序Jar包及其啟動入口類（Tomcat 的Bootstrap類即由System類加載器加載）。

這些類加載器的工作原理是一樣的，區(qū)別是它們的加載路徑不同，也就是說 findClass 這個方法查找的路徑不同。

雙親委托機制是為了保證一個 Java 類在 JVM 中是唯一的，假如你不小心寫了一個與 JRE 核心類同名的類，比如 Object 類，雙親委托機制能保證加載的是 JRE 里的那個 Object 類，而不是你寫的 Object 類。

這是因為 AppClassLoader 在加載你的 Object 類時，會委托給 ExtClassLoader 去加載，而 ExtClassLoader 又會委托給 BootstrapClassLoader，BootstrapClassLoader 發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)加載過了 Object 類，會直接返回，不會去加載你寫的 Object 類。

這里請注意，類加載器的父子關(guān)系不是通過繼承來實現(xiàn)的，比如 AppClassLoader 并不是 ExtClassLoader 的子類，而是說 AppClassLoader 的 parent 成員變量指向 ExtClassLoader 對象。同樣的道理，如果你要自定義類加載器，不去繼承 AppClassLoader，而是繼承 ClassLoader 抽象類，再重寫 findClass 和 loadClass 方法即可，Tomcat 就是通過自定義類加載器來實現(xiàn)自己的類加載邏輯。不知道你發(fā)現(xiàn)沒有，如果你要打破雙親委托機制，就需要重寫 loadClass 方法，因為 loadClass 的默認實現(xiàn)就是雙親委托機制。

2、類加載器的源碼

public abstract class ClassLoader {
  //  每個類加載器都有一個父加載器
  private final ClassLoader parent;
  public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }
     protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
           // 如果沒有加載過
            if (c == null) {
                if (parent != null) {
                  //  先委托給父加載器去加載，注意這是個遞歸調(diào)用
                 c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                 // 如果父加載器為空，查找 Bootstrap 加載器是不是加載過了
                   c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
              
            // 如果父加載器沒加載成功，調(diào)用自己的 findClass 去加載
                if (c == null) {        
                    c = findClass(name);
                }
            } 
        
            return c;
        }
        
    }
    //ClassLoader 中findClass方式需要被子類覆蓋，下面這段代碼就是對應代碼
      protected Class<?> findClass(String name){
       //1. 根據(jù)傳入的類名 name，到在特定目錄下去尋找類文件，把.class 文件讀入內(nèi)存
          ...
       //2. 調(diào)用 defineClass 將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)成 Class 對象
       return defineClass(buf, off, len)；
    }
      // 將字節(jié)碼數(shù)組解析成一個 Class 對象，用 native 方法實現(xiàn)
    protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len){
    
    }
    
}

我們自定義類加載器就需要重寫ClassLoader的loadClass方法。

- Tomcat 的類加載機制 -

1、加載機制的特點

隔離性：Web應用類庫相互隔離，避免依賴庫或者應用包相互影響。設想一下，如果我們有兩個Web應用，一個釆用了Spring 2.5, 一個采用了Spring 4.0,而應用服務器使用一個類加載器加載,那么Web應用將會由于Jar包覆蓋而導致無法啟動成功；

靈活性：既然Web應用之間的類加載器相互獨立，那么我們就能只針對一個Web應用進行重新部署，此時該Web應用的類加載器將會重新創(chuàng)建，而且不會影響其他Web應用。如果釆用一個類加載器，顯然無法實現(xiàn)，因為只有一個類加載器的時候，類之間的依賴是雜亂無章的，無法完整地移除某個Web應用的類；

性能：由于每個Web應用都有一個類加載器，因此Web應用在加載類時，不會搜索其他 Web應用包含的Jar包，性能自然高于應用服務器只有一個類加載器的情況。

2、Tomcat 的類加載方案

引導類加載器和擴展類加載器的作⽤不變；
系統(tǒng)類加載器正常情況下加載的是 CLASSPATH 下的類，但是 Tomcat 的啟動腳本并未使⽤該變量，⽽是加載tomcat啟動的類，⽐如bootstrap.jar，通常在catalina.bat或者catalina.sh中指定。位于CATALINA_HOME/bin下；
Common 通⽤類加載器加載Tomcat使⽤以及應⽤通⽤的⼀些類，位于CATALINA_HOME/lib下，⽐如servlet-api.jar；
Catalina ClassLoader ⽤于加載服務器內(nèi)部可⻅類，這些類應⽤程序不能訪問；
SharedClassLoader ⽤于加載應⽤程序共享類，這些類服務器不會依賴；
WebappClassLoader，每個應⽤程序都會有⼀個獨⼀⽆⼆的Webapp ClassLoader，他⽤來加載本應⽤程序 /WEB-INF/classes 和 /WEB-INF/lib 下的類。

tomcat 8.5 默認改變了嚴格的雙親委派機制：

從緩存中加載；
如果緩存中沒有，會先調(diào)用ExtClassLoader進行加載，擴展類加載器是遵循雙親委派的，他會調(diào)用bootstrap，查看對應的lib有沒有，然后回退給ExtClassLoader對擴展包下的數(shù)據(jù)進行加載；
如果未加載到，則從 /WEB-INF/classes加載；
如果未加載到，則從 /WEB-INF/lib/*.jar 加載如果未加載到，WebAppclassLoader 會委派給SharedClassLoader,SharedClassLoad會委派給CommonClassLoader.....,依次委派給BootstrapClassLoader, 然后BootstrapClassLoader 在自己目錄中查找對應的類如果有則進行加載，如果沒有他會委派給下一級ExtClassLoader,ExtClassLoader再查找自己目錄下的類，如果有則加載如果沒有則委派給下一級……遵循雙親委派原則。

3、分析應用類加載器的加載過程

應用類加載器為WebappClassLoader ，他的loadClass在他的父類WebappClassLoaderBase中。

  public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            if (log.isDebugEnabled())
                log.debug("loadClass(" + name + ", " + resolve + ")");
            Class<?> clazz = null;
            // Log access to stopped class loader
            checkStateForClassLoading(name);    
            //從當前ClassLoader的本地緩存中加載類，如果找到則返回
            clazz = findLoadedClass0(name);
            if (clazz != null) {
                if (log.isDebugEnabled())
                    log.debug("  Returning class from cache");
                if (resolve)
                    resolveClass(clazz);
                return clazz;
            }
            // 本地緩存沒有的情況下，調(diào)用ClassLoader的findLoadedClass方法查看jvm是否已經(jīng)加載過此類，如果已經(jīng)加載則直接返回。
            clazz = findLoadedClass(name);
            if (clazz != null) {
                if (log.isDebugEnabled())
                    log.debug("  Returning class from cache");
                if (resolve)
                    resolveClass(clazz);
                return clazz;
            }
            String resourceName = binaryNameToPath(name, false);
            //此時的javaseClassLoader是擴展類加載器  是把擴展類加載器賦值給了javaseClassLoader
            ClassLoader javaseLoader = getJavaseClassLoader();
            boolean tryLoadingFromJavaseLoader;
            try {
              .....
            //如果可以用getResource得到
            //如果能用擴展類加載器的getResource得到就證明可以被擴展類加載器加載到接下來安排擴展類加載器加載
            if (tryLoadingFromJavaseLoader) {
                try {
                    //使用擴展類加載器進行加載
                    clazz = javaseLoader.loadClass(name);
                    if (clazz != null) {
                        if (resolve)
                            resolveClass(clazz);
                        return clazz;
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // Ignore
                }
            }
            // (0.5) Permission to access this class when using a SecurityManager
            if (securityManager != null) {
                int i = name.lastIndexOf('.');
                if (i >= 0) {
                    try {
                        securityManager.checkPackageAccess(name.substring(0,i));
                    } catch (SecurityException se) {
                        String error = "Security Violation, attempt to use " +
                            "Restricted Class: " + name;
                        log.info(error, se);
                        throw new ClassNotFoundException(error, se);
                    }
                }
            }
            boolean delegateLoad = delegate || filter(name, true);
            // (1) Delegate to our parent if requested
            //如果是true就是用父類加載器進行加載
            if (delegateLoad) {
                if (log.isDebugEnabled())
                    log.debug("  Delegating to parent classloader1 " + parent);
                try {
                    clazz = Class.forName(name, false, parent);
                    if (clazz != null) {
                        if (log.isDebugEnabled())
                            log.debug("  Loading class from parent");
                        if (resolve)
                            resolveClass(clazz);
                        return clazz;
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // Ignore
                }
            }
            // (2) Search local repositories
            if (log.isDebugEnabled())
                log.debug("  Searching local repositories");
            try {
                // 本地進行加載
                clazz = findClass(name);
                if (clazz != null) {
                    if (log.isDebugEnabled())
                        log.debug("  Loading class from local repository");
                    if (resolve)
                        resolveClass(clazz);
                    return clazz;
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // Ignore
            }
            // (3) Delegate to parent unconditionally
            //到這里還是沒有加載上再次嘗試使用父類加載器進行加載
            if (!delegateLoad) {
                    if (log.isDebugEnabled())
                    log.debug("  Delegating to parent classloader at end: " + parent);
                try {
                    clazz = Class.forName(name, false, parent);
                    if (clazz != null) {
                        if (log.isDebugEnabled())
                            log.debug("  Loading class from parent");
                        if (resolve)
                            resolveClass(clazz);
                        return clazz;
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // Ignore
                }
            }
        }
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

注：在37行英文注釋中標注獲取的是系統(tǒng)類加載器，但我們debug的時候會發(fā)現(xiàn)他是擴展類加載器，實際中我們可以推斷出他應該是擴展類加載器，因為如果我們加載的類在擴展類加載器路徑下已經(jīng)存在的話，那我們直接調(diào)用系統(tǒng)類加載器是就是錯誤的了，下圖為debug后獲取的類加載器的驗證。