• Tomcat 类加载器之为何违背双亲委派模型


    我们分为4个部分来探讨:

    1. 什么是类加载机制?
    2. 什么是双亲委任模型?
    3. 如何破坏双亲委任模型?
    4. Tomcat 的类加载器是怎么设计的?

    1. 什么是类加载机制?

    代码编译的结果从本地机器码转变成字节码,是存储Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载进内存,并对数据进行校验,转换解析和初始化,最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型,这就是虚拟机的类加载机制。
    虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现,以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这动作的代码模块成为“类加载器”。

    类与类加载器的关系:

    类加载器虽然只用于实现类的加载动作,但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类,都需要由加载他的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性,每一个类加载器,都拥有一个独立的类命名空间。这句话可以表达的更通俗一些:比较两个类是否“相等”,只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义,否则,即使这两个类来自同一个Class文件,被同一个虚拟机加载,只要加载他们的类加载器不同,那这个两个类就必定不相等。

    2. 什么是双亲委任模型

    1:从Java虚拟机的角度来说,只存在两种不同类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现(只限HotSpot),是虚拟机自身的一部分;另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader.
    2:从Java开发人员的角度来看,类加载还可以划分的更细致一些,绝大部分Java程序员都会使用以下3种系统提供的类加载器:
      2.1:启动类加载器(Bootstrap ClassLoader):这个类加载器复杂将存放在 JAVA_HOME/lib 目录中的,或者被-Xbootclasspath 参数所指定的路径种的,并且是虚拟机识别的(仅按照文件名识别,如rt.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录下也不会重载)。
      2.2:扩展类加载器(Extension ClassLoader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责夹杂JAVA_HOME/lib/ext 目录下的,或者被java.ext.dirs 系统变量所指定的路径种的所有类库。开发者可以直接使用扩展类加载器。
      2.3:应用程序类加载器(Application ClassLoader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现。由于这个类加载器是ClassLoader 种的getSystemClassLoader方法的返回值,所以也成为系统类加载器。它负责加载用户类路径(ClassPath)上所指定的类库。开发者可以直接使用这个类加载器,如果应用中没有定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

    双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器之外,其余的类加载器都应当由自己的父类加载器加载,这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现,而是都使用组合关系来复用父加载器的代码。
    类加载器的双亲委派模型在JDK1.2 期间被引入并被广泛应用于之后的所有Java程序中,但他并不是个强制性的约束模型,而是Java设计者推荐给开发者的一种类加载器实现方式。
    双亲委派模型的工作过程是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,他首先不会自己去尝试加载这个类,而是把这个请求委派父类加载器去完成。每一个层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个请求(他的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去加载。

    为什么要这么做呢?

    如果没有使用双亲委派模型,由各个类加载器自行加载的话,如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类,并放在程序的ClassPath中,那系统将会出现多个不同的Object类, Java类型体系中最基础的行为就无法保证。应用程序也将会变得一片混乱。

    双亲委任模型时如何实现的?

    先检查是否已经被加载过,若没有加载则调用父加载器的loadClass方法, 如父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败,抛出ClassNotFoundException 异常后,再调用自己的findClass方法进行加载。

    3.Tomcat 的类加载器是怎么设计的?

    Tomcat 如果使用默认的类加载机制行不行?
    我们思考一下:Tomcat是个web容器, 那么它要解决什么问题:
    1. 一个web容器可能需要部署两个应用程序,不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本,不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份,因此要保证每个应用程序的类库都是独立的,保证相互隔离。
    2. 部署在同一个web容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则,如果服务器有10个应用程序,那么要有10份相同的类库加载进虚拟机,这是扯淡的。
    3. web容器也有自己依赖的类库,不能于应用程序的类库混淆。基于安全考虑,应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。
    4. web容器要支持jsp的修改,我们知道,jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟机中运行,但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情,否则要你何用? 所以,web容器需要支持 jsp 修改后不用重启。
    再看看我们的问题:Tomcat 如果使用默认的类加载机制行不行?
    答案是不行的。为什么?我们看,第一个问题,如果使用默认的类加载器机制,那么是无法加载两个相同类库的不同版本的,默认的累加器是不管你是什么版本的,只在乎你的全限定类名,并且只有一份。第二个问题,默认的类加载器是能够实现的,因为他的职责就是保证唯一性。第三个问题和第一个问题一样。我们再看第四个问题,我们想我们要怎么实现jsp文件的热修改(楼主起的名字),jsp 文件其实也就是class文件,那么如果修改了,但类名还是一样,类加载器会直接取方法区中已经存在的,修改后的jsp是不会重新加载的。那么怎么办呢?我们可以直接卸载掉这jsp文件的类加载器,所以你应该想到了,每个jsp文件对应一个唯一的类加载器,当一个jsp文件修改了,就直接卸载这个jsp类加载器。重新创建类加载器,重新加载jsp文件。

    我们看到,前面3个类加载和默认的一致,CommonClassLoader、CatalinaClassLoader、SharedClassLoader和WebappClassLoader则是Tomcat自己定义的类加载器,它们分别加载/common/*、/server/*、/shared/*(在tomcat 6之后已经合并到根目录下的lib目录下)和/WebApp/WEB-INF/*中的Java类库。其中WebApp类加载器和Jsp类加载器通常会存在多个实例,每一个Web应用程序对应一个WebApp类加载器,每一个JSP文件对应一个Jsp类加载器。
    commonLoader:Tomcat最基本的类加载器,加载路径中的class可以被Tomcat容器本身以及各个Webapp访问;
    catalinaLoader:Tomcat容器私有的类加载器,加载路径中的class对于Webapp不可见;
    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;
    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;

    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。
    WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类,但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。
    而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。
    好了,至此,我们已经知道了tomcat为什么要这么设计,以及是如何设计的,那么,tomcat 违背了java 推荐的双亲委派模型了吗?答案是:违背了。 我们前面说过:

    双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器之外,其余的类加载器都应当由自己的父类加载器加载。
    很显然,tomcat 不是这样实现,tomcat 为了实现隔离性,没有遵守这个约定,每个webappClassLoader加载自己的目录下的class文件,不会传递给父类加载器。
    我们扩展出一个问题:如果tomcat 的 Common ClassLoader 想加载 WebApp ClassLoader 中的类,该怎么办?
    看了前面的关于破坏双亲委派模型的内容,我们心里有数了,我们可以使用线程上下文类加载器实现,使用线程上下文加载器,可以让父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作。牛逼吧。

    总结
    好了,终于,我们明白了Tomcat 为何违背双亲委派模型,也知道了tomcat的类加载器是如何设计的。顺便复习了一下 Java 默认的类加载器机制,也知道了如何破坏Java的类加载机制。这一次收获不小哦!!! 嘿嘿。

    郭慕荣博客园
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