Tomcat类加载器机制

Tomcat为什么需要定制自己的ClassLoader：

1、定制特定的规则：隔离webapp，安全考虑，reload热插拔

2、缓存类

3、事先加载

要说Tomcat的Classloader机制，我们还得从Bootstrap开始。在BootStrap初始化的时候，调用了org.apache.catalina.startup.Bootstrap#initClassLoaders方法，这个方法里面创建了3个ClassLoader,它们分别是commonLoader,catalinaLoader,sharedLoader，其中catalinaLoader,sharedLoader的父亲加载器是commonLoader，initClassLoaders执行的过程中会执行createClassLoader，而createClassLoader是根据conf/catalina.properties文件中common.loader，server.loader，shared.loader的值来初始化，它的代码如下：

默认情况下，这3个ClassLoader是同一个实例变量。

private ClassLoader createClassLoader(String name, ClassLoader parent)
    throws Exception {

    String value = CatalinaProperties.getProperty(name + ".loader");
    // 1 
    if ((value == null) || (value.equals("")))
        return parent;

    // 2
    value = replace(value);

    List<Repository> repositories = new ArrayList<Repository>();

    StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(value, ",");
    while (tokenizer.hasMoreElements()) {
        String repository = tokenizer.nextToken().trim();
        if (repository.length() == 0) {
            continue;
        }

        // Check for a JAR URL repository
        try {
            @SuppressWarnings("unused")
            URL url = new URL(repository);
            repositories.add(
                    new Repository(repository, RepositoryType.URL));
            continue;
        } catch (MalformedURLException e) {
            // Ignore
        }

        // Local repository
        if (repository.endsWith("*.jar")) {
            repository = repository.substring
                (0, repository.length() - "*.jar".length());
            repositories.add(
                    new Repository(repository, RepositoryType.GLOB));
        } else if (repository.endsWith(".jar")) {
            repositories.add(
                    new Repository(repository, RepositoryType.JAR));
        } else {
            repositories.add(
                    new Repository(repository, RepositoryType.DIR));
        }
    }
    // 3
    ClassLoader classLoader = ClassLoaderFactory.createClassLoader
        (repositories, parent);//这里返回的是一个UrlClassLoader实例


    return classLoader;

}

以上代码删除了与本篇无关的代码，下面我们分别来分析一下标注的地方：

标注1的代码（第5行）判断如果catalina.properties中没有配置对应的loader属性的话，直接返回父加载器，而默认情况下，server.loader,shared.loader为空，那么此时的catalinaLoader,sharedLoader其实是同一个ClassLoader.
标注2（第9行）的地方根据环境变量的配置替换字符串中的值.默认情况下，common.loader的值为common.loader=${catalina.base}/lib,${catalina.base}/lib/.jar,${catalina.home}/lib,${catalina.home}/lib/.jar,这里会将catalina.base和catalina.home用环境变量的值替换。
标注3（第46行）的代码最终调用org.apache.catalina.startup.ClassLoaderFactory#createClassLoader静态工厂方法创建了URLClassloader的实例，而具体的URL其实就是*.loader属性配置的内容，此外如果parent为null的话，则直接用系统类加载器。

上面分析了Tomcat在启动的时候，初始化的几个ClassLoader，接下来我们再来继续看看，这些ClassLoader具体都用在什么地方。

我们接着来看org.apache.catalina.startup.Bootstrap#init方法，在初始化完3个classLoader以后，接下来首先通过catalinaLoader加载了org.apache.catalina.startup.Catalinal类，然后通过放射调用了org.apache.catalina.startup.Catalina#setParentClassLoader,具体代码片段如下：

Class<?> startupClass =
    catalinaLoader.loadClass
    ("org.apache.catalina.startup.Catalina");
Object startupInstance = startupClass.newInstance();

String methodName = "setParentClassLoader";
Class<?> paramTypes[] = new Class[1];
paramTypes[0] = Class.forName("java.lang.ClassLoader");
Object paramValues[] = new Object[1];
paramValues[0] = sharedLoader;
Method method =
    startupInstance.getClass().getMethod(methodName, paramTypes);
method.invoke(startupInstance, paramValues);

通过上面的代码，我们可以清楚的看到调用了Catalina的setParentClassLoader放，那么到这里我们可能又要想知道，设置了parentClassLoader以后，sharedLoader又是在哪里使用的呢？这就需要我们接着来分析容器启动的代码。我们通过查看org.apache.catalina.startup.Catalina#getParentClassLoader调用栈，我们看到在StandardContext的startInternal方法中调用了它，那么我们查看一下它的代码，包含了如下代码片段：

if (getLoader() == null) {
            WebappLoader webappLoader = new WebappLoader(getParentClassLoader());
            webappLoader.setDelegate(getDelegate());
            setLoader(webappLoader);
}
try {

    if (ok) {

        // Start our subordinate components, if any
        if ((loader != null) && (loader instanceof Lifecycle))
            ((Lifecycle) loader).start();
        //other code    
    }
catch(Exception e){
}

通过查看上面的代码，我们看到在StandardContext启动的时候，会创建webapploader，创建webapploader的时候会将getParentClassLoader方法返回的结果（这里返回的其实就是sharedLoader）赋值给自己的parentClassLoader变量,接着又会调用到Webapploader的start方法，因为WebappLoader符合Tomcat组件生命周期管理的模板方法模式，因此会调用到它的startInternal方法。我们接下来就来看看WebappLoader的startInternal，我们摘取一部分与本篇相关的代码片段如下：

classLoader = createClassLoader();
classLoader.setResources(container.getResources());
classLoader.setDelegate(this.delegate);
classLoader.setSearchExternalFirst(searchExternalFirst);

从上的代码可以看到调用了createClassLoader方法创建一个classLoader，那么我们再看来看看createClassLoader的代码：

private WebappClassLoader createClassLoader()
    throws Exception {

    Class<?> clazz = Class.forName(loaderClass);
    WebappClassLoader classLoader = null;

    if (parentClassLoader == null) {
        parentClassLoader = container.getParentClassLoader();
    }
    Class<?>[] argTypes = { ClassLoader.class };
    Object[] args = { parentClassLoader };
    Constructor<?> constr = clazz.getConstructor(argTypes);
    classLoader = (WebappClassLoader) constr.newInstance(args);

    return classLoader;

}

在上面的代码里面，loaderClass是WebappLoader的实例变量，其值为org.apache.catalina.loader.WebappClassLoader，那么上面的代码其实就是通过反射调用了WebappClassLoader的构造函数，然后传递了sharedLoader作为其父亲加载器。

代码阅读到这里，我们已经基本清楚了Tomcat中ClassLoader的总体结构，总结如下：在Tomcat存在common,cataina,shared三个公共的classloader,默认情况下，这三个classloader其实是同一个，都是common classloader,而针对每个webapp，也就是context（对应代码中的StandardContext类），都有自己的WebappClassLoader来加载每个应用自己的类。上面的描述，我们可以通过下图形象化的描述：

清楚了Tomcat总体的ClassLoader结构以后，咋们就来进一步来分析一下WebAppClassLoader的代码，我们知道Java的ClassLoader机制有parent-first的机制，而这种机制是在loadClass方法保证的，一般情况下，我们只需要重写findClass方法就好了，而对于WebAppClassLoader，通过查看源代码，我们发现loadClass和findClass方法都进行了重写，那么我们首先就来看看它的loadClass方法,它的代码如下：

  1 public synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
  2     throws ClassNotFoundException {
  3 
  4     if (log.isDebugEnabled())
  5         log.debug("loadClass(" + name + ", " + resolve + ")");
  6     Class<?> clazz = null;
  7 
  8     // Log access to stopped classloader
  9     if (!started) {
 10         try {
 11             throw new IllegalStateException();
 12         } catch (IllegalStateException e) {
 13             log.info(sm.getString("webappClassLoader.stopped", name), e);
 14         }
 15     }
 16 
 17     // (0) Check our previously loaded local class cache
 18     // 1 
 19     clazz = findLoadedClass0(name);
 20     if (clazz != null) {
 21         if (log.isDebugEnabled())
 22             log.debug("  Returning class from cache");
 23         if (resolve)
 24             resolveClass(clazz);
 25         return (clazz);
 26     }
 27 
 28     // (0.1) Check our previously loaded class cache
 29     // 2
 30     clazz = findLoadedClass(name);
 31     if (clazz != null) {
 32         if (log.isDebugEnabled())
 33             log.debug("  Returning class from cache");
 34         if (resolve)
 35             resolveClass(clazz);
 36         return (clazz);
 37     }
 38 
 39     // (0.2) Try loading the class with the system class loader, to prevent
 40     //       the webapp from overriding J2SE classes
 41     // 3 
 42     try {
 43         clazz = system.loadClass(name);
 44         if (clazz != null) {
 45             if (resolve)
 46                 resolveClass(clazz);
 47             return (clazz);
 48         }
 49     } catch (ClassNotFoundException e) {
 50         // Ignore
 51     }
 52 
 53     // (0.5) Permission to access this class when using a SecurityManager
 54     if (securityManager != null) {
 55         int i = name.lastIndexOf('.');
 56         if (i >= 0) {
 57             try {
 58                 securityManager.checkPackageAccess(name.substring(0,i));
 59             } catch (SecurityException se) {
 60                 String error = "Security Violation, attempt to use " +
 61                     "Restricted Class: " + name;
 62                 log.info(error, se);
 63                 throw new ClassNotFoundException(error, se);
 64             }
 65         }
 66     }
 67 
 68     //4 
 69     boolean delegateLoad = delegate || filter(name);
 70 
 71     // (1) Delegate to our parent if requested
 72     // 5 
 73     if (delegateLoad) {
 74         if (log.isDebugEnabled())
 75             log.debug("  Delegating to parent classloader1 " + parent);
 76         ClassLoader loader = parent;
 77         if (loader == null)
 78             loader = system;
 79         try {
 80             clazz = Class.forName(name, false, loader);
 81             if (clazz != null) {
 82                 if (log.isDebugEnabled())
 83                     log.debug("  Loading class from parent");
 84                 if (resolve)
 85                     resolveClass(clazz);
 86                 return (clazz);
 87             }
 88         } catch (ClassNotFoundException e) {
 89             // Ignore
 90         }
 91     }
 92 
 93     // (2) Search local repositories
 94     if (log.isDebugEnabled())
 95         log.debug("  Searching local repositories");
 96     // 6 
 97     try {
 98         clazz = findClass(name);
 99         if (clazz != null) {
100             if (log.isDebugEnabled())
101                 log.debug("  Loading class from local repository");
102             if (resolve)
103                 resolveClass(clazz);
104             return (clazz);
105         }
106     } catch (ClassNotFoundException e) {
107         // Ignore
108     }
109 
110     // (3) Delegate to parent unconditionally
111     // 7
112     if (!delegateLoad) {
113         if (log.isDebugEnabled())
114             log.debug("  Delegating to parent classloader at end: " + parent);
115         ClassLoader loader = parent;
116         if (loader == null)
117             loader = system;
118         try {
119             clazz = Class.forName(name, false, loader);
120             if (clazz != null) {
121                 if (log.isDebugEnabled())
122                     log.debug("  Loading class from parent");
123                 if (resolve)
124                     resolveClass(clazz);
125                 return (clazz);
126             }
127         } catch (ClassNotFoundException e) {
128             // Ignore
129         }
130     }
131 
132     throw new ClassNotFoundException(name);
133 
134 }

我们一步步的来分析一下上面的代码做了什么事情。

标注1(第18行)代码，首先从当前ClassLoader的本地缓存中加载类，如果找到则返回。
标注2(第29行)代码，在本地缓存没有的情况下，调用ClassLoader的findLoadedClass方法查看jvm是否已经加载过此类，如果已经加载则直接返回。
标注3(第41行)代码，通过系统的来加载器加载此类，这里防止应用写的类覆盖了J2SE的类,这句代码非常关键，如果不写的话，就会造成你自己写的类有可能会把J2SE的类给替换调，另外假如你写了一个javax.servlet.Servlet类，放在当前应用的WEB-INF/class中，如果没有此句代码的保证，那么你自己写的类就会替换到Tomcat容器Lib中包含的类。
标注4(第68行)代码，判断是否需要委托给父类加载器进行加载，delegate属性默认为false，那么delegatedLoad的值就取决于filter的返回值了，filter方法中根据包名来判断是否需要进行委托加载，默认情况下会返回false.因此delegatedLoad为false
标注5(第72行)代码，因为delegatedLoad为false,那么此时不会委托父加载器去加载，这里其实是没有遵循parent-first的加载机制。
标注6(第96行)调用findClass方法在webapp级别进行加载
标注7(第111行)如果还是没有加载到类，并且不采用委托机制的话，则通过父类加载器去加载。

通过上面的描述，我们可以知道Tomcat在加载webapp级别的类的时候，默认是不遵守parent-first的，这样做的好处是更好的实现了应用的隔离，但是坏处就是加大了内存浪费，同样的类库要在不同的app中都要加载一份。

上面分析完了loadClass，我们接着在来分析一下findClass，通过分析findClass的代码，最终会调用org.apache.catalina.loader.WebappClassLoader#findClassInternal方法，那我们就来分析一下它的代码：

 1 protected Class<?> findClassInternal(String name)
 2     throws ClassNotFoundException {
 3 
 4     //
 5     if (!validate(name))
 6         throw new ClassNotFoundException(name);
 7 
 8     String tempPath = name.replace('.', '/');
 9     String classPath = tempPath + ".class";
10 
11     ResourceEntry entry = null;
12 
13     if (securityManager != null) {
14         PrivilegedAction<ResourceEntry> dp =
15             new PrivilegedFindResourceByName(name, classPath);
16         entry = AccessController.doPrivileged(dp);
17     } else {
18         // 1 
19         entry = findResourceInternal(name, classPath);
20     }
21 
22     if (entry == null)
23         throw new ClassNotFoundException(name);
24 
25     Class<?> clazz = entry.loadedClass;
26     if (clazz != null)
27         return clazz;
28 
29     synchronized (this) {
30         clazz = entry.loadedClass;
31         if (clazz != null)
32             return clazz;
33 
34         if (entry.binaryContent == null)
35             throw new ClassNotFoundException(name);
36 
37         try {
38             // 2
39             clazz = defineClass(name, entry.binaryContent, 0,
40                     entry.binaryContent.length,
41                     new CodeSource(entry.codeBase, entry.certificates));
42         } catch (UnsupportedClassVersionError ucve) {
43             throw new UnsupportedClassVersionError(
44                     ucve.getLocalizedMessage() + " " +
45                     sm.getString("webappClassLoader.wrongVersion",
46                             name));
47         }
48         entry.loadedClass = clazz;
49         entry.binaryContent = null;
50         entry.source = null;
51         entry.codeBase = null;
52         entry.manifest = null;
53         entry.certificates = null;
54     }
55 
56     return clazz;
57 
58 }

上面的代码标注1（第19行）的地方通过名称去当前webappClassLoader的仓库中查找对应的类文件，标注2(第38行)的代码，将找到的类文件通过defineClass转变为Jvm可以识别的Class对象返回。

Reference

Tomcat类加载器机制（Tomcat源代码阅读系列之六）

Tomcat学习之ClassLoader

tomcat的classloader机制

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