Tomcat类加载器及应用间class隔离与共享

作者: lxqfirst | 来源:发表于2017-12-26 22:24 被阅读0次

【转自】https://zhuanlan.zhihu.com/p/24168200

Tomcat的用户一定都使用过其应用部署功能，无论是直接拷贝文件到webapps目录，还是修改server.xml以目录的形式部署，或者是增加虚拟主机，指定新的appBase等等。

但部署应用时，不知道你是否曾注意过这几点：

如果在一个Tomcat内部署多个应用，甚至多个应用内使用了某个类似的几个不同版本，但它们之间却互不影响。这是如何做到的。
如果多个应用都用到了某类似的相同版本，是否可以统一提供，不在各个应用内分别提供，占用内存呢。
还有时候，在开发Web应用时，在pom.xml中添加了servlet-api的依赖，那实际应用的class加载时，会加载你的servlet-api 这个jar吗

以上提到的这几点，在Tomcat以及各类的应用服务器中，都是通过类加载器（ClasssLoader）来实现的。通过本文，你可以了解到Tomcat内部提供的各种类加载器，Web应用的class和资源等加载的方式，以及其内部的实现原理。在遇到类似问题时，更胸有成竹。

类加载器

Java语言本身，以及现在其它的一些基于JVM之上的语言(Groovy，Jython， Scala...)，都是在将代码编译生成class文件，以实现跨多平台，write once, run anywhere。最终的这些class文件，在应用中，又被加载到JVM虚拟机中，开始工作。而把class文件加载到JVM的组件，就是我们所说的类加载器。而对于类加载器的抽象，能面对更多的class数据提供形式，例如网络、文件系统等。

Java中常见的那个ClassNotFoundException和NoClassDefFoundError就是类加载器告诉我们的。

Servlet规范指出，容器用于加载Web应用内Servlet的class loader, 允许加载位于Web应用内的资源。但不允许重写java., javax.以及容器实现的类。同时每个应用内使用Thread.currentThread.getContextClassLoader()获得的类加载器，都是该应用区别于其它应用的类加载器等等。

根据Servlet规范，各个应用服务器厂商自行实现。所以像其他的一些应用服务器一样， Tomcat也提供了多种的类加载器，以便应用服务器内的class以及部署的Web应用类文件运行在容器中时，可以使用不同的class repositories。

在Java中，类加载器是以一种父子关系树来组织的。除Bootstrap外，都会包含一个parent 类加载器。(这里写parent 类加载器，而不是父类加载器，不是为了装X，是为了避免和Java里的父类混淆)

一般以类加载器需要加载一个class或者资源文件的时候，他会先委托给他的parent类加载器，让parent类加载器先来加载，如果没有，才再在自己的路径上加载。这就是人们常说的双亲委托，即把类加载的请求委托给parent。

但是...，这里需要注意一下

对于Web应用的类加载，和上面的双亲委托是有区别的。

在Tomcat中，涉及到的类加载器大致有以下几类，像官方文档里这张表示一样，这里对于Bootstrap和System这种加载Java基础类的我们不做分析，主要来看一下后面的Common和WebappX这两类class loader。

     Bootstrap
          |
       System
          |
       Common
       /     \
  Webapp1   Webapp2 ...

Webapp类加载器

正如上面内容所说，Webapp类加载器，相对于传统的Java的类加载器，最主要的区别是

子优先(child first)

也就是说，在Web应用内，需要加载一个类的时候，不是先委托给parent，而是先自己加载，在自己的类路径上找不到才会再委托parent。

但是此处的子优先有些地方需要注意的是，Java的基础类不允许其重新加载，以及servlet-api也不允许重新加载。

那为什么要先child之后再parent呢？我们前面说是Servlet规范规定的。但确实也是实际需要。假如我们两个应用内使用了相同命名空间里的一个class，一个使用的是Spring 2.x，一个使用的是Spring 3.x。如果是parent先加载的话，在第一个应用加载后，第二个应用再需要的时候，就直接从parent里拿到了，但是却不符合需要。

另外一点是，各个Web应用的类加载器，是相互独立的，即WebappClassloader的多个实例，只有这样，多个应用之间才可能使用不同版本的相同命令空间下的类库，而不互相受影响。

该类加载器会加载Web应用的WEB-INF/classes内的class和资源文件，以及WEB-INF/lib下的所有jar文件。

当然，有些时候，有需要还按照传统的Java类加载器加载class时，Tomcat内提供了配置，可以实现父优先。

Common 类加载器

通过上面的class loader组织的图，可以知道Common 类加载器，是做为webapp类加载器的parent存在的。它是在以下文件中进行配置的：

TOMCAT_HOME/conf/catalina.properties

文档中给的样例：

对于目录结尾的，视为class文件的加载路径，对于目录/*.jar结尾的，则视为目录下所有jar会被加载。

这个配置，默认已经包含了Tomcat的base下的lib目录和home下的lib目录。(关于catalina.base这个，可以看之前写IDE内Tomcat工作原理的文章你一定不知道IDE里的Tomcat是怎么工作的！)

common.loader="${catalina.base}/lib","${catalina.base}/lib/.jar","${catalina.home}/lib","${catalina.home}/lib/.jar"

所以，lib目录下的class和jar文件，在启动时就都被加载了。

一般来说，这个类加载器用来加载一些既需要Tomcat容器内和所有应用共同可见的class，应用的class不建议放到这儿加载。

介绍完这两个加载器之后，我们来看文章开始时提到的几个问题：

多个应用之间类库不互相冲突，是由于使用了不同的类加载器进行加载的。彼此之间如同路人。即使看起来同样一个类，使用不同的类加载器加载，也是不同的对象，这点要引起注意。
多个应用之间，如果大家使用了相同的类库，而且数据众多，为了避免重复加载占用内存，就可以用到我们的Common 类加载器。只要在配置中指定对应的目录，然后提取出共用的文件即可。我在之前的公司开发应用服务器时，就有客户有这样的需求。
对于我们应用内提供的Servlet-api，其实应用服务器是不会加载的，因为容器已经自已加载过了。当然，这里不是因为父优先还是子优先的问题，而是这类内容，是不允许被重写的。如果你应用内有一个叫javax.servlet.Servlet的class，那加载后可能就影响了应用内的正常运行了。

我们看在Tomcat6.x中加载一个包含servlet 3.x api的jar，会直接提示jar not loaded.

类加载器实现分析

在Tomcat启动时，会创建一系列的类加载器，在其主类Bootstrap的初始化过程中，会先初始化classloader，然后将其绑定到Thread中。

public void init() throws Exception {

    initClassLoaders();

Thread.currentThread().setContextClassLoader(catalinaLoader);

    SecurityClassLoad.securityClassLoad(catalinaLoader);  }

其中initClassLoaders方法，会根据catalina.properties的配置，创建相应的classloader。由于默认只配置了common.loader属性，所以其中只会创建一个出来

private void initClassLoaders() {
try {
commonLoader = createClassLoader("common", null);
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);
sharedLoader = createClassLoader("shared", commonLoader);
    } catch (Throwable t) {
handleThrowable(t);
log.error("Class loader creation threw exception", t);
        System.exit(1);
    }
}

所以，后面线程中绑定的都一直是commonClassLoader。

然后，当一个应用启动的时候，会为其创建对应的WebappClassLoader。此时会将commonClassLoader设置为其parent。下面的代码是StandardContext类在启动时创建WebappLoader的代码

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

这里的getParentClassLoader会从当前组件的classLoader一直向上，找parent classLoader设置。之后注意下一行代码

webappLoader.setDelegate

这就是在设置后面Web应用的类查找时是父优先还是子优先。这个配置可以在server.xml里，对Context组件进行配置。

即在Context元素下可以嵌套一个Loader元素，配置Loader的delegate即可，其默认为false，即子优先。类似于这样

<Context>

<Loader className=""

delegate="true"/>

</Context>

注意Loader还有一个属性是reloadable，用于表明对于/WEB-INF/classes/ 和 /WEB-INF/lib 下资源发生变化时，是否重新加载应用。这个特性在开发的时候，还是很有用的。

如果你的应用并没有配置这个属性，想要重新加载一个应用，只需要使用manager里的reload功能就可以。

有点跑题，回到我们说的delgate上面来，配置之后，可以指定Web应用类加载时，到底是使用父优先还是子优先。

这里的WebappLoader，就开始了正式的创建WebappClassLoader

private WebappClassLoaderBase createClassLoader()
throws Exception {

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

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

配置等信息使用前面Loader内的配置。

应用的classLoader也配置好之后，我们再来看真正应用需要class的时候，是如何子优先的。

在loadClass的时候，会调用到WebappClassLoader的loadClass方法，此时，查找一个class的步骤总结这样几步：

这里把方法中分步的注释拿来罗列一下，

(0) Check our previously loaded local class cache

(0.1) Check our previously loaded class cache

(0.2) Try loading the class with the system class loader, to prevent
the webapp from overriding Java SE classes. This implements SRV.10.7.2
然后，会判断是否启用了securityManager，启用时会进行packageAccess的检查。

主要判断已加载的类里是否已经包含，然后避免Java SE的classes被覆盖，packageAccess的检查。

之后，开始了我们的父优先子优先的流程。这里判断是否使用delegate时，对于一些容器提供的class，也会跳过。

boolean delegateLoad = delegate ||

filter(name);

这里的filter就用来过滤容器提供的类以及servlet-api的类。

protected synchronized boolean filter(String name) {

if (name == null)
return false;

// Looking up the package
    String packageName = null;
int pos = name.lastIndexOf('.');
if (pos != -1)
        packageName = name.substring(0, pos);
else
        return false;

packageTriggersPermit.reset(packageName);
if (packageTriggersPermit.lookingAt()) {
return false;
    }

然后确定到底是父优先，还是子优先，开始类的加载

父优先

// (1) Delegate to our parent if requested
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
    }
}

此时如果没找到，就走到下面的代码，开始查找本地的资源库(repository)和子优先时一样：

// (2) Search local repositories
if (log.isDebugEnabled())
log.debug("  Searching local repositories");
try {
    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
}

如果父优先和子优先都没能查找到需要的class，此时会抛出

throw new ClassNotFoundException(name);

关于上面代码，有一个地方，感兴趣的同学可以再深入了解下，

clazz = Class.forName(name, false, parent);

也许你这么多年一直直接用Class.forName，没管过后面还可以多传两个参数。

关于ClassLoader，你还想了解什么？

Tomcat类加载器及应用间class隔离与共享

类加载器

Webapp类加载器

Common 类加载器

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