Tomcat源码版本：apache-tomcat-8.5.54-src
JDK源码版本：jdk1.8.0_171
先来讲一下JVM的类加载机制。
一、JVM类加载机制
1、继承关系
ExtClassLoader和AppClassLoader都继承父类ClassLoader，ClassLoader有一个属性parent是实现双亲委派模型的关键属性。
2、双亲委派模型
2.1、Bootstrap ClassLoader：引导类加载器，是JVM内置native实现的。
(1)通过源码sun.misc.Launcher可以看得它的加载路径：
private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");
或者配置-Xbootclasspath参数指定加载的路径
具体加载了那些类：
%JAVA_HOME%jrelib esources.jar %JAVA_HOME%jrelib t.jar %JAVA_HOME%jrelibsunrsasign.jar %JAVA_HOME%jrelibjsse.jar %JAVA_HOME%jrelibjce.jar %JAVA_HOME%jrelibcharsets.jar %JAVA_HOME%jrelibjfr.jar %JAVA_HOME%jreclasses
(2)ClassLoader的findBootstrapClass方法指示Bootstrap ClassLoader是JVM内置实现的
private Class<?> findBootstrapClassOrNull(String name) { if (!checkName(name)) return null; return findBootstrapClass(name); } // return null if not found private native Class<?> findBootstrapClass(String name);
2.2、Extension ClassLoader：扩展类加载器，实现类为sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，
(1)加载路径：String str = System.getProperty("java.ext.dirs");具体指：%JAVA_HOME%/jre/lib/ext
(2)创建扩展类加载器
源码：sun.misc.Launcher
ExtClassLoader localExtClassLoader; try { localExtClassLoader = ExtClassLoader.getExtClassLoader(); } catch (IOException localIOException1) { throw new InternalError("Could not create extension class loader", localIOException1); } //直接将parent属性设置为null 所以扩展类加载器的parent默认就是Bootstrap ClassLoader public ExtClassLoader(File[] var1) throws IOException { super(getExtURLs(var1), (ClassLoader)null, Launcher.factory); SharedSecrets.getJavaNetAccess().getURLClassPath(this).initLookupCache(this); }
ClassLoader代码：
//ClassLoader有一个parent属性 private final ClassLoader parent; protected ClassLoader(ClassLoader parent) { this(checkCreateClassLoader(), parent); } private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) { this.parent = parent; ...... } //加载类的方法主要是使用父类ClassLoader.loadClass方法： protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // 首先，查找该类是否已经被加载过了 Class c = findLoadedClass(name); if (c == null) { //未被加载过 long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { // 父类加载器不为null，则调用父类加载器尝试加载 c = parent.loadClass(name, false); } else { // 父类加载器为null，则调用本地方法，交由启动类加载器加载，所以说ExtClassLoader的父类加载器为Bootstrap ClassLoader c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { } if (c == null) { //仍然加载不到，只能由本加载器通过findClass去加载 long t1 = System.nanoTime(); c = findClass(name); // this is the defining class loader; record the stats sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } }
2.3、Appication ClassLoader：应用程序类加载器，或者叫系统类加载器，实现类为sun.misc.Launcher$AppClassLoader。
(1)加载路径：final String s = System.getProperty("java.class.path");
(2)具体实现
源码sun.misc.Launcher：
ExtClassLoader localExtClassLoader; try { localExtClassLoader = ExtClassLoader.getExtClassLoader(); } catch (IOException localIOException1) { throw new InternalError("Could not create extension class loader", localIOException1); } //直接将parent属性设置为null 所以扩展类加载器的parent默认就是Bootstrap ClassLoader public ExtClassLoader(File[] var1) throws IOException { super(getExtURLs(var1), (ClassLoader)null, Launcher.factory); SharedSecrets.getJavaNetAccess().getURLClassPath(this).initLookupCache(this); } //应用类/系统类加载器 try { //将扩展类加载器作为参数传进去 实现双亲委托机制 loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(localExtClassLoader); } catch (IOException localIOException2) { throw new InternalError("Could not create application class loader", localIOException2); } //当AppClassLoader被初始化以后，会被设置为当前线程的上下文类加载器以及保存到Launcher类的loader属性中， //而通过ClassLoader.getSystemClassLoader()获取的也正是该类加载器(Launcher.loader)。 Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); .... //var0为扩展类加载器 public static ClassLoader getAppClassLoader(final ClassLoader var0) throws IOException { final String var1 = System.getProperty("java.class.path"); final File[] var2 = var1 == null ? new File[0] : Launcher.getClassPath(var1); return (ClassLoader)AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Launcher.AppClassLoader>() { public Launcher.AppClassLoader run() { URL[] var1x = var1 == null ? new URL[0] : Launcher.pathToURLs(var2); return new Launcher.AppClassLoader(var1x, var0); } }); } //var2为扩展类加载器 AppClassLoader(URL[] var1, ClassLoader var2) { super(var1, var2, Launcher.factory); this.ucp.initLookupCache(this); }
ClassLoader代码：
//ClassLoader有一个parent属性 private final ClassLoader parent; //最终调用父类ClassLoader构造方法 所以应用加载器的parent就是扩展类加载器 注意parent不是继承父类 protected ClassLoader(ClassLoader parent) { this(checkCreateClassLoader(), parent); } private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) { this.parent = parent; ...... } //加载类的方法主要是使用父类ClassLoader.loadClass方法： protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // 首先，查找该类是否已经被加载过了 Class c = findLoadedClass(name); if (c == null) { //未被加载过 long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { // 父类加载器不为null，则调用父类加载器尝试加载 c = parent.loadClass(name, false); } else { // 父类加载器为null，则调用本地方法，交由启动类加载器加载，所以说ExtClassLoader的父类加载器为Bootstrap ClassLoader c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { } if (c == null) { //仍然加载不到，只能由本加载器通过findClass去加载 long t1 = System.nanoTime(); c = findClass(name); // this is the defining class loader; record the stats sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0); sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1); sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment(); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } }
2.4、自定义类加载器
(1)自定义类加载器需要继承ClassLoader
public class MyclassLoader extends ClassLoader {}
(2)有一个默认无参构造器，会调用父类的构造器，内部默认获取应用类加载器设置其parant属性
ClassLoader源码：
//构造函数 protected ClassLoader() { this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader()); } @CallerSensitive public static ClassLoader getSystemClassLoader() { initSystemClassLoader(); if (scl == null) { return null; } SecurityManager sm = System.getSecurityManager(); if (sm != null) { checkClassLoaderPermission(scl, Reflection.getCallerClass()); } return scl; } private static synchronized void initSystemClassLoader() { if (!sclSet) { if (scl != null) throw new IllegalStateException("recursive invocation"); sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher(); if (l != null) { Throwable oops = null; scl = l.getClassLoader(); try { scl = AccessController.doPrivileged( new SystemClassLoaderAction(scl)); } catch (PrivilegedActionException pae) { oops = pae.getCause(); if (oops instanceof InvocationTargetException) { oops = oops.getCause(); } } if (oops != null) { if (oops instanceof Error) { throw (Error) oops; } else { // wrap the exception throw new Error(oops); } } } sclSet = true; } }
源码：Launcher
public class Launcher { private ClassLoader loader; public Launcher() { ...... try { //使用应用加载器作为loader loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(localExtClassLoader); } catch (IOException localIOException2) { throw new InternalError("Could not create application class loader", localIOException2); } Thread.currentThread().setContextClassLoader(loader); ..... } //直接返回loader public ClassLoader getClassLoader() { return this.loader; } ...... }
最后来一张双亲委派模型图：
二、Tomcat类加载器
1、继承关系
2、Tomcat类加载器
2.1、三个基本类加载器
(1)commonLoader：Tomcat最基本的类加载器，加载的class可以被Tomcat容器本身以及各个Webapp访问;
(2)catalinaLoader：Tomcat容器私有的类加载器，加载路径中的class对于Webapp不可见;
(3)sharedLoader：各个Webapp共享的类加载器，加载路径中的class对于所有Webapp可见，但是对于Tomcat容器不可见;
CommonClassLoader能加载的类都可以被Catalina ClassLoader和SharedClassLoader使用，从而实现了公有类库的共用，而CatalinaClassLoader和Shared ClassLoader自己能加载的类则与对方相互隔离。
#加载路径:配置文件/tomcat8.5/conf/catalina.properties中属性 common.loader="${catalina.base}/lib","${catalina.base}/lib/*.jar","${catalina.home}/lib","${catalina.home}/lib/*.jar" #tomcat6之前有个目录/server/*，之后设置为空 server.loader= #tomcat6之前有个目录/shared/*，之后设置为空 shared.loader=
/tomcat8.5/java/org/apache/catalina/startup/Bootstrap.java
private void initClassLoaders() { try { //commonLoader初始化的时候将parent设置为null commonLoader = createClassLoader("common", null);//URLClassLoader 默认是common if (commonLoader == null) { // no config file, default to this loader - we might be in a 'single' env. commonLoader = this.getClass().getClassLoader(); } catalinaLoader = createClassLoader("server", commonLoader);//common子load-server sharedLoader = createClassLoader("shared", commonLoader);//common子load-shared } catch (Throwable t) { handleThrowable(t); log.error("Class loader creation threw exception", t); System.exit(1); } } private ClassLoader createClassLoader(String name, ClassLoader parent) throws Exception { //server.loader和shared.loader都为空 默认使用commonLoader String value = CatalinaProperties.getProperty(name + ".loader"); if ((value == null) || (value.equals(""))) return parent; value = replace(value); ...... return ClassLoaderFactory.createClassLoader(repositories, parent); }
ClassLoaderFactory源码：
public static ClassLoader createClassLoader(List<Repository> repositories, final ClassLoader parent) throws Exception { ...... return AccessController.doPrivileged( new PrivilegedAction<URLClassLoader>() { @Override public URLClassLoader run() { if (parent == null) return new URLClassLoader(array); else return new URLClassLoader(array, parent); } }); }
URLClassLoader最终调用父类ClassLoader，然后调用getSystemClassLoader获取的就是应用类加载器AppClassLoader。
2.2、WebappClassLoader：各个Webapp私有的类加载器，加载路径中的class只对当前Webapp可见.
WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类，但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。
StandardContext.java启动时加载：
protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException { ...... if (getLoader() == null) { WebappLoader webappLoader = new WebappLoader(); webappLoader.setDelegate(getDelegate()); setLoader(webappLoader); } ...... try { if (ok) { // Start our subordinate components, if any Loader loader = getLoader(); if (loader instanceof Lifecycle) { ((Lifecycle) loader).start(); } ...... } ...... } ..... }
WebappLoader.java：注意WebappLoader.java没有继承ClassLoader及其子类，不是真正加载类是其下面的WebappClassLoaderBase属性
//WebappClassLoaderBase属性 这才是真正的类加载器 private WebappClassLoaderBase classLoader = null; //ParallelWebappClassLoader继承WebappClassLoaderBase private String loaderClass = ParallelWebappClassLoader.class.getName(); //无参构造函数 public WebappLoader() { this(null); } //将WebappClassLoaderBase属性设置为null public WebappLoader(ClassLoader parent) { super(); this.parentClassLoader = parent; } protected void startInternal() throws LifecycleException { ...... // Construct a class loader based on our current repositories list try { classLoader = createClassLoader(); classLoader.setResources(context.getResources()); classLoader.setDelegate(this.delegate); ...... } catch (Throwable t) { ..... } } private WebappClassLoaderBase createClassLoader() throws Exception { Class<?> clazz = Class.forName(loaderClass); WebappClassLoaderBase classLoader = null; if (parentClassLoader == null) { //这里getParentClassLoader()会获取父容器StandarHost.parentClassLoader对象属性， //而这个对象属性是在Catalina$SetParentClassLoaderRule.begin()初始化， //初始化的值其实就是Catalina.parentClassLoader对象属性，再来跟踪一下Catalina.parentClassLoader， //在Bootstrap.init()时通过反射调用了Catalina.setParentClassLoader()，将Bootstrap.sharedLoader属性设置为Catalina.parentClassLoader， //所以WebClassLoader的父类加载器是Shared ClassLoader. parentClassLoader = context.getParentClassLoader(); } else { context.setParentClassLoader(parentClassLoader); } Class<?>[] argTypes = { ClassLoader.class }; Object[] args = { parentClassLoader }; Constructor<?> constr = clazz.getConstructor(argTypes); classLoader = (WebappClassLoaderBase) constr.newInstance(args); return classLoader; }
WebAppClassLoaderBase实现了web应用类加载的机制：
tomcat的类加载机制是违反了双亲委托原则的，对于一些未加载的非基础类(Object,String等)，各个web应用自己的类加载器(WebAppClassLoader)会优先加载，加载不到时再交给commonClassLoader走双亲委托。
具体的加载逻辑位于WebAppClassLoaderBase.loadClass()方法中，过程：
(1)先在本地缓存中查找是否已经加载过该类(对于一些已经加载了的类，会被缓存在resourceEntries这个数据结构中)，如果已经加载即返回，否则 继续下一步。
(2)让系统类加载器(AppClassLoader)尝试加载该类，主要是为了防止一些基础类会被web中的类覆盖，如果加载到即返回，返回继续。
(3)前两步均没加载到目标类，那么web应用的类加载器将自行加载，如果加载到则返回，否则继续下一步。
(4)最后还是加载不到的话，则委托父类加载器(Common ClassLoader)去加载。
第3第4两个步骤的顺序已经违反了双亲委托机制，除了tomcat之外，JDBC,JNDI,Thread.currentThread().setContextClassLoader();等很多地方都一样是违反了双亲委托。
2.3、JasperClassLoader：每一个JSP文件对应一个Jsp类加载器
JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个.Class文件，它出现的目的就是为了被丢弃：当Web容器检测到JSP文件被修改时，会替换掉目前的JasperLoader的实例，并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的HotSwap功能
3、Tomcat类加载顺序
当tomcat启动时，会创建几种类加载器：
(1)Bootstrap 引导类加载器：加载JVM启动所需的类，以及标准扩展类（位于jre/lib/ext下）
(2)System 系统类加载器 ：加载tomcat启动的类，比如bootstrap.jar，通常在catalina.bat或者catalina.sh中指定。位于CATALINA_HOME/bin下。
(3)Common 通用类加载器 ：加载tomcat使用以及应用通用的一些类，位于CATALINA_HOME/lib下，比如servlet-api.jar
(4)webapp 应用类加载器：每个应用在部署后，都会创建一个唯一的类加载器。该类加载器会加载位于 WEB-INF/lib下的jar文件中的class 和 WEB-INF/classes下的class文件。
当应用需要到某个类时，则会按照下面的顺序进行类加载：
(1)使用bootstrap引导类加载器加载;
(2)使用system系统类加载器加载;
(3)使用应用类加载器在WEB-INF/classes中加载;
(4)使用应用类加载器在WEB-INF/lib中加载;
(5)使用common类加载器在CATALINA_HOME/lib中加载;