07.Tomcat源码分析——类加载体系

作者: OpenCoder | 来源:发表于2021-08-10 14:33 被阅读0次

由于在生产环境中，Tomcat一般部署在Linux系统下，所以本文将以 startup.sh shell脚本为准，对Tomcat的启动进行分析。

我们启动Tomcat的命令如下：

sh startup.sh

startup.sh的脚本代码如下：

# Better OS/400 detection: see Bugzilla 31132
os400=false
case "`uname`" in
OS400*) os400=true;;
esac

# resolve links - $0 may be a softlink
PRG="$0"

while [ -h "$PRG" ] ; do
  ls=`ls -ld "$PRG"`
  link=`expr "$ls" : '.*-> \(.*\)$'`
  if expr "$link" : '/.*' > /dev/null; then
    PRG="$link"
  else
    PRG=`dirname "$PRG"`/"$link"
  fi
done

PRGDIR=`dirname "$PRG"`
EXECUTABLE=catalina.sh

# Check that target executable exists
if $os400; then
  # -x will Only work on the os400 if the files are:
  # 1. owned by the user
  # 2. owned by the PRIMARY group of the user
  # this will not work if the user belongs in secondary groups
  eval
else
  if [ ! -x "$PRGDIR"/"$EXECUTABLE" ]; then
    echo "Cannot find $PRGDIR/$EXECUTABLE"
    echo "The file is absent or does not have execute permission"
    echo "This file is needed to run this program"
    exit 1
  fi
fi

exec "$PRGDIR"/"$EXECUTABLE" start "$@"

重点看最后一行代码：exec " $PRGDIR"/"$ EXECUTABLE" start "$@"

这里有两个变量：

PRGDIR：当前shell脚本所在的路径；
EXECUTABLE：脚本catalina.sh。

通过以上变量的解释，我们知道了其实执行startup.sh就是在执行catalina.sh，并且传递了参数start。

catalina.sh中接收到start参数后的执行的脚本分支见代码如下：

elif [ "$1" = "start" ] ; then

# 此处省略参数校验的脚本

  shift
  touch "$CATALINA_OUT"
  if [ "$1" = "-security" ] ; then
    if [ $have_tty -eq 1 ]; then
      echo "Using Security Manager"
    fi
    shift
    eval "\"$_RUNJAVA\"" "\"$LOGGING_CONFIG\"" $LOGGING_MANAGER $JAVA_OPTS $CATALINA_OPTS \
      -Djava.endorsed.dirs="\"$JAVA_ENDORSED_DIRS\"" -classpath "\"$CLASSPATH\"" \
      -Djava.security.manager \
      -Djava.security.policy=="\"$CATALINA_BASE/conf/catalina.policy\"" \
      -Dcatalina.base="\"$CATALINA_BASE\"" \
      -Dcatalina.home="\"$CATALINA_HOME\"" \
      -Djava.io.tmpdir="\"$CATALINA_TMPDIR\"" \
      org.apache.catalina.startup.Bootstrap "$@" start \
      >> "$CATALINA_OUT" 2>&1 "&"

  else
    eval "\"$_RUNJAVA\"" "\"$LOGGING_CONFIG\"" $LOGGING_MANAGER $JAVA_OPTS $CATALINA_OPTS \
      -Djava.endorsed.dirs="\"$JAVA_ENDORSED_DIRS\"" -classpath "\"$CLASSPATH\"" \
      -Dcatalina.base="\"$CATALINA_BASE\"" \
      -Dcatalina.home="\"$CATALINA_HOME\"" \
      -Djava.io.tmpdir="\"$CATALINA_TMPDIR\"" \
      org.apache.catalina.startup.Bootstrap "$@" start \
      >> "$CATALINA_OUT" 2>&1 "&"

  fi

  if [ ! -z "$CATALINA_PID" ]; then
    echo $! > "$CATALINA_PID"
  fi

  echo "Tomcat started."

从以上代码片段可以看出，最终使用java命令执行了org.apache.catalina.startup.Bootstrap类中的main方法，参数也是start。Bootstrap的main方法的实现见代码如下：

public static void main(String[] args) {
        synchronized(daemonLock) {
            if (daemon == null) {
                Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();

                try {
                    bootstrap.init();
                } catch (Throwable var5) {
                    handleThrowable(var5);
                    var5.printStackTrace();
                    return;
                }

                daemon = bootstrap;
            } else {
                Thread.currentThread().setContextClassLoader(daemon.catalinaLoader);
            }
        }

        try {
            String command = "start";
            if (args.length > 0) {
                command = args[args.length - 1];
            }

            if (command.equals("startd")) {
                args[args.length - 1] = "start";
                daemon.load(args);
                daemon.start();
            } else if (command.equals("stopd")) {
                args[args.length - 1] = "stop";
                daemon.stop();
            } else if (command.equals("start")) {
                daemon.setAwait(true);
                daemon.load(args);
                daemon.start();
                if (null == daemon.getServer()) {
                    System.exit(1);
                }
            } else if (command.equals("stop")) {
                daemon.stopServer(args);
            } else if (command.equals("configtest")) {
                daemon.load(args);
                if (null == daemon.getServer()) {
                    System.exit(1);
                }

                System.exit(0);
            } else {
                log.warn("Bootstrap: command \"" + command + "\" does not exist.");
            }
        } catch (Throwable var7) {
            Throwable t = var7;
            if (var7 instanceof InvocationTargetException && var7.getCause() != null) {
                t = var7.getCause();
            }

            handleThrowable(t);
            t.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }

    }

可以很清晰的看到，一上来就调用了 bootstrap.init();方法进行初始化的操作，代码如下：

    public void init() throws Exception {
        this.initClassLoaders();
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.catalinaLoader);
        SecurityClassLoad.securityClassLoad(this.catalinaLoader);
        if (log.isDebugEnabled()) {
            log.debug("Loading startup class");
        }

        Class<?> startupClass = this.catalinaLoader.loadClass("org.apache.catalina.startup.Catalina");
        Object startupInstance = startupClass.getConstructor().newInstance();
        if (log.isDebugEnabled()) {
            log.debug("Setting startup class properties");
        }

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

而init方法一上来调用了这三行关键代码：

this.initClassLoaders();

image

Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.catalinaLoader);

  catalinaLoader会被设置为Tomcat主线程的线程上下文类加载器，并且使用catalinaLoader加载Tomcat容器自身容器下的class

SecurityClassLoad.securityClassLoad(this.catalinaLoader);

image

securityClassLoad方法主要加载Tomcat容器所需的class，包括：

Tomcat核心class，即org.apache.catalina.core路径下的class；
org.apache.catalina.loader.WebappClassLoader$PrivilegedFindResourceByName；
Tomcat有关session的class，即org.apache.catalina.session路径下的class；
Tomcat工具类的class，即org.apache.catalina.util路径下的class；
javax.servlet.http.Cookie；
Tomcat处理请求的class，即org.apache.catalina.connector路径下的class；
Tomcat其它工具类的class，也是org.apache.catalina.util路径下的class；

ok，Common/Catalina/Shared ClassLoader 已经创建好了，那么肯定是要被使用的，是在哪里使用的呢？它们之间同Webapp ClassLoader又是怎么联系起来的？我们继续看init方法：

    public void init() throws Exception {
        this.initClassLoaders();
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.catalinaLoader);
        SecurityClassLoad.securityClassLoad(this.catalinaLoader);
        if (log.isDebugEnabled()) {
            log.debug("Loading startup class");
        }
        //1.先加载Catalina类
        Class<?> startupClass = this.catalinaLoader.loadClass("org.apache.catalina.startup.Catalina");
        //2.通过反射实例化对象
        Object startupInstance = startupClass.getConstructor().newInstance();
        if (log.isDebugEnabled()) {
            log.debug("Setting startup class properties");
        }
        //3.catalina的setParentClassLoader方法
        String methodName = "setParentClassLoader";
        Class<?>[] paramTypes = new Class[]{Class.forName("java.lang.ClassLoader")};
        Object[] paramValues = new Object[]{this.sharedLoader};\
        //4.将catalina设置为sharedLoader的上级加载器
        Method method = startupInstance.getClass().getMethod(methodName, paramTypes);
        method.invoke(startupInstance, paramValues);
        this.catalinaDaemon = startupInstance;
    }

在我们上面的securityClassLoad()方法中会执行 loadCorePackage方法，该方法源码如下：

    private static final void loadCorePackage(ClassLoader loader) throws Exception {
        String basePackage = "org.apache.catalina.core.";
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.AccessLogAdapter");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.ApplicationContextFacade$PrivilegedExecuteMethod");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.ApplicationDispatcher$PrivilegedForward");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.ApplicationDispatcher$PrivilegedInclude");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.ApplicationPushBuilder");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.AsyncContextImpl");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.AsyncContextImpl$AsyncRunnable");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.AsyncContextImpl$DebugException");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.AsyncListenerWrapper");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.ContainerBase$PrivilegedAddChild");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.DefaultInstanceManager$AnnotationCacheEntry");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.DefaultInstanceManager$AnnotationCacheEntryType");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.DefaultInstanceManager$PrivilegedGetField");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.DefaultInstanceManager$PrivilegedGetMethod");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.DefaultInstanceManager$PrivilegedLoadClass");
        loader.loadClass("org.apache.catalina.core.ApplicationHttpRequest$AttributeNamesEnumerator");
    }

其中 loader.loadClass("org.apache.catalina.core.ContainerBase$PrivilegedAddChild"); 会加载到 ContainerBase以及其子类，通过查看发现其子类有如下：

image

而StandardContext类就是一个核心的子类，因为在其 startInternal()方法中：

    /**
     * Start this component and implement the requirements
     * of {@link LifecycleBase#startInternal()}.
     *
     * @exception LifecycleException if this component detects a fatal error
     *  that prevents this component from being used
     */
    @Override
    protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {

        // 省略前边的代码 

        if (getLoader() == null) {
            WebappLoader webappLoader = new WebappLoader(getParentClassLoader());
            webappLoader.setDelegate(getDelegate());
            setLoader(webappLoader);
        }
       // 省略中间的代码 
       // Start our subordinate components, if any
       if ((loader != null) && (loader instanceof Lifecycle))
            ((Lifecycle) loader).start(); 
       // 省略后边的代码 
    }

我们发现了关键的 WebappLoader 的创建，并且将WebappLoader设置为了当前的类加载器。

同时创建WebappLoader 的时候，传递了一个参数 getParentClassLoader() ，我们可以看下 WebappLoader的构造函数：

    public WebappLoader(ClassLoader parent) {
        this.classLoader = null;
        this.context = null;
        this.delegate = false;
        this.loaderClass = ParallelWebappClassLoader.class.getName();
        this.parentClassLoader = null;
        this.reloadable = false;
        this.support = new PropertyChangeSupport(this);
        this.classpath = null;
        this.parentClassLoader = parent;
    }

ok，最后一行代码给webappLoader设置了对应的父级类加载器，getParentClassLoader() 这个方法会获取父容器parentClassLoader的属性，也就是找到ContainerBase中的setParentClassLoader方法被谁调用了就知道附的啥值了：

image

可以看到这个设置方法被CopyParentClassLoaderRule的begin方法中赋值了：

    public void begin(String namespace, String name, Attributes attributes)
        throws Exception {

        if (digester.getLogger().isDebugEnabled())
            digester.getLogger().debug("Copying parent class loader");
        Container child = (Container) digester.peek(0);
        Object parent = digester.peek(1);
        Method method =
            parent.getClass().getMethod("getParentClassLoader", new Class[0]);
        ClassLoader classLoader =
            (ClassLoader) method.invoke(parent, new Object[0]);
        child.setParentClassLoader(classLoader);

    }

这里的classLoader其实就是通过反射取出来的 SharedLoader，这里刚好就与我们的BootStrap中init刚开始的赋值匹配上了：

image

因此，我们也能彻底知道，WebAppLoader的父级类加载器就是我们的ShareClassLoader了。

代码阅读到这里，已经基本清楚了Tomcat中ClassLoader的总体结构，总结如下：

Tomcat存在common、catalina、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实例来加载每个应用自己的类，该类加载实例的parent即是Shared ClassLoader。

OK，在理解了整个类加载器结构后，我们再来看 WebAppLoader 是如何加载我们的类的，重点查看 loadClass 方法,由于代码过长，直接截取核心代码：

①从本地缓存中查找：

image

    protected Class<?> findLoadedClass0(String name) {
        String path = this.binaryNameToPath(name, true);
        ResourceEntry entry = (ResourceEntry)this.resourceEntries.get(path);
        return entry != null ? entry.loadedClass : null;
    }

②缓存中没有，则从JVM的引导类Bootstrap类加载器加载：

image

该类加载器包含 Java 虚拟机提供的基本运行时类，以及系统扩展目录 ( $JAVA_HOME/jre/lib/ext) 中存在的 JAR 文件中的任何类。

③再从系统类加载器进行查找：

image

System这个类加载器通常从CLASSPATH环境变量的内容中初始化。所有这些类对 Tomcat 内部类和 Web 应用程序都是可见的。但是，标准的 Tomcat 启动脚本（$CATALINA_HOME/bin/catalina.sh或 %CATALINA_HOME%\bin\catalina.bat）完全忽略了CLASSPATH环境变量本身的内容，而是从以下存储库构建 System 类加载器：

$CATALINA_HOME/bin/bootstrap.jar — 包含用于初始化 Tomcat 服务器的 main() 方法，以及它所依赖的类加载器实现类。
$CATALINA_BASE/bin/tomcat-juli.jar*或 *$ CATALINA_HOME/bin/tomcat-juli.jar — 日志实现类。其中包括java.util.loggingAPI 的增强类，称为 Tomcat JULI，以及 Tomcat 内部使用的 Apache Commons Logging 库的包重命名副本。有关更多详细信息，请参阅日志记录文档。

如果tomcat-juli.jar存在于 $CATALINA_BASE/bin 中*，则使用它代替*$ CATALINA_HOME/bin 中的那个。它在某些日志记录配置中很有用
$CATALINA_HOME/bin/commons-daemon.jar — 来自Apache Commons Daemon项目的类。这个 JAR 文件不存在于CLASSPATH构建者 catalina.bat| .sh脚本，但从bootstrap.jar的清单文件中引用。

④由当前类加载器进行加载：

image

⑤最后由父类加载器加载

image

总结：

Web应用类加载器默认的加载顺序是：

(1).先从缓存中加载；
(2).如果没有，则从JVM的Bootstrap类加载器查找；
(3).如果没有，则从当前类加载器加载查找（按照WEB-INF/classes、WEB-INF/lib的顺序）；
(4).如果没有，则从父类加载器加载，父类加载器采用默认的委派模式

tomcat提供了delegate属性用于控制是否启用java委派模式，默认false（不启用），当设置为true时，tomcat将使用java的默认委派模式，这时加载顺序如下：

(1).先从缓存中加载；
(2).如果没有，则从JVM的Bootstrap类加载器加载；
(3).如果没有，则从父类加载器加载，加载顺序是AppClassLoader、Common、Shared。
(4).如果没有，则从当前类加载器加载（按照WEB-INF/classes、WEB-INF/lib的顺序）；

思考题：

我们在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，不知道你注意到没有，不写

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")

也是可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载的，你知道是怎么做的吗？

这个问题大家可以下来自己尝试阅读源码得到解决。

07.Tomcat源码分析——类加载体系

思考题：

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