圖解Tomcat類加載機制(阿里面試題)

本文轉載自查看原文 2018-05-04 17:50 28980 Java-加載類-內存分配回收-調優

Tomcat的類加載機制是違反了雙親委托原則的，對於一些未加載的非基礎類(Object,String等)，各個web應用自己的類加載器(WebAppClassLoader)會優先加載，加載不到時再交給commonClassLoader走雙親委托。

對於JVM來說：

因此，按照這個過程可以想到，如果同樣在CLASSPATH指定的目錄中和自己工作目錄中存放相同的class，會優先加載CLASSPATH目錄中的文件。

1、既然 Tomcat 不遵循雙親委派機制，那么如果我自己定義一個惡意的HashMap，會不會有風險呢？(阿里的面試官問)

答：顯然不會有風險，如果有，Tomcat都運行這么多年了，那群Tomcat大神能不改進嗎？ tomcat不遵循雙親委派機制，只是自定義的classLoader順序不同，但頂層還是相同的，

還是要去頂層請求classloader.

2、我們思考一下：Tomcat是個web容器，那么它要解決什么問題：
1. 一個web容器可能需要部署兩個應用程序，不同的應用程序可能會依賴同一個第三方類庫的不同版本，不能要求同一個類庫在同一個服務器只有一份，因此要保證每個應用程序的類庫都是獨立的，保證相互隔離。
2. 部署在同一個web容器中相同的類庫相同的版本可以共享。否則，如果服務器有10個應用程序，那么要有10份相同的類庫加載進虛擬機，這是扯淡的。
3. web容器也有自己依賴的類庫，不能於應用程序的類庫混淆。基於安全考慮，應該讓容器的類庫和程序的類庫隔離開來。
4. web容器要支持jsp的修改，我們知道，jsp 文件最終也是要編譯成class文件才能在虛擬機中運行，但程序運行后修改jsp已經是司空見慣的事情，否則要你何用？所以，web容器需要支持 jsp 修改后不用重啟。

再看看我們的問題：Tomcat 如果使用默認的類加載機制行不行？
答案是不行的。為什么？我們看，第一個問題，如果使用默認的類加載器機制，那么是無法加載兩個相同類庫的不同版本的，默認的累加器是不管你是什么版本的，只在乎你的全限定類名，並且只有一份。第二個問題，默認的類加載器是能夠實現的，因為他的職責就是保證唯一性。第三個問題和第一個問題一樣。我們再看第四個問題，我們想我們要怎么實現jsp文件的熱修改（樓主起的名字），jsp 文件其實也就是class文件，那么如果修改了，但類名還是一樣，類加載器會直接取方法區中已經存在的，修改后的jsp是不會重新加載的。那么怎么辦呢？我們可以直接卸載掉這jsp文件的類加載器，所以你應該想到了，每個jsp文件對應一個唯一的類加載器，當一個jsp文件修改了，就直接卸載這個jsp類加載器。重新創建類加載器，重新加載jsp文件。

Tomcat 如何實現自己獨特的類加載機制？

所以，Tomcat 是怎么實現的呢？牛逼的Tomcat團隊已經設計好了。我們看看他們的設計圖：

我們看到，前面3個類加載和默認的一致，CommonClassLoader、CatalinaClassLoader、SharedClassLoader和WebappClassLoader則是Tomcat自己定義的類加載器，它們分別加載/common/*、/server/*、/shared/*（在tomcat 6之后已經合並到根目錄下的lib目錄下）和/WebApp/WEB-INF/*中的Java類庫。其中WebApp類加載器和Jsp類加載器通常會存在多個實例，每一個Web應用程序對應一個WebApp類加載器，每一個JSP文件對應一個Jsp類加載器。

commonLoader：Tomcat最基本的類加載器，加載路徑中的class可以被Tomcat容器本身以及各個Webapp訪問；
catalinaLoader：Tomcat容器私有的類加載器，加載路徑中的class對於Webapp不可見；
sharedLoader：各個Webapp共享的類加載器，加載路徑中的class對於所有Webapp可見，但是對於Tomcat容器不可見；
WebappClassLoader：各個Webapp私有的類加載器，加載路徑中的class只對當前Webapp可見；

從圖中的委派關系中可以看出：

CommonClassLoader能加載的類都可以被Catalina ClassLoader和SharedClassLoader使用，從而實現了公有類庫的共用，而CatalinaClassLoader和Shared ClassLoader自己能加載的類則與對方相互隔離。

WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加載到的類，但各個WebAppClassLoader實例之間相互隔離。

而JasperLoader的加載范圍僅僅是這個JSP文件所編譯出來的那一個.Class文件，它出現的目的就是為了被丟棄：當Web容器檢測到JSP文件被修改時，會替換掉目前的JasperLoader的實例，並通過再建立一個新的Jsp類加載器來實現JSP文件的HotSwap功能。

好了，至此，我們已經知道了tomcat為什么要這么設計，以及是如何設計的，那么，tomcat 違背了java 推薦的雙親委派模型了嗎？答案是：違背了。我們前面說過：

雙親委派模型要求除了頂層的啟動類加載器之外，其余的類加載器都應當由自己的父類加載器加載。

很顯然，tomcat 不是這樣實現，tomcat 為了實現隔離性，沒有遵守這個約定，每個webappClassLoader加載自己的目錄下的class文件，不會傳遞給父類加載器。

我們擴展出一個問題：如果tomcat 的 Common ClassLoader 想加載 WebApp ClassLoader 中的類，該怎么辦？

看了前面的關於破壞雙親委派模型的內容，我們心里有數了，我們可以使用線程上下文類加載器實現，使用線程上下文加載器，可以讓父類加載器請求子類加載器去完成類加載的動作。牛逼吧。

類加載

　　在JVM中並不是一次性把所有的文件都加載到，而是一步一步的，按照需要來加載。

　　比如JVM啟動時，會通過不同的類加載器加載不同的類。當用戶在自己的代碼中，需要某些額外的類時，再通過加載機制加載到JVM中，並且存放一段時間，便於頻繁使用。

　　因此使用哪種類加載器、在什么位置加載類都是JVM中重要的知識。

JVM類加載

　　JVM類加載采用父類委托機制，如下圖所示：

　　JVM中包括集中類加載器：

　　1 BootStrapClassLoader 引導類加載器

　　2 ExtClassLoader 擴展類加載器

　　3 AppClassLoader 應用類加載器

　　4 CustomClassLoader 用戶自定義類加載器

　　他們的區別上面也都有說明。需要注意的是，不同的類加載器加載的類是不同的，因此如果用戶加載器1加載的某個類，其他用戶並不能夠使用。

　　當JVM運行過程中，用戶需要加載某些類時，會按照下面的步驟（父類委托機制）：

　　1 用戶自己的類加載器，把加載請求傳給父加載器，父加載器再傳給其父加載器，一直到加載器樹的頂層。

　　2 最頂層的類加載器首先針對其特定的位置加載，如果加載不到就轉交給子類。

　　3 如果一直到底層的類加載都沒有加載到，那么就會拋出異常ClassNotFoundException。

　　因此，按照這個過程可以想到，如果同樣在CLASSPATH指定的目錄中和自己工作目錄中存放相同的class，會優先加載CLASSPATH目錄中的文件。

Tomcat類加載

　　在tomcat中類的加載稍有不同，如下圖：

　　當tomcat啟動時，會創建幾種類加載器：

　　1 Bootstrap 引導類加載器

　　加載JVM啟動所需的類，以及標准擴展類（位於jre/lib/ext下）

　　2 System 系統類加載器

　　加載tomcat啟動的類，比如bootstrap.jar，通常在catalina.bat或者catalina.sh中指定。位於CATALINA_HOME/bin下。

　　3 Common 通用類加載器

　　加載tomcat使用以及應用通用的一些類，位於CATALINA_HOME/lib下，比如servlet-api.jar

　　4 webapp 應用類加載器

　　每個應用在部署后，都會創建一個唯一的類加載器。該類加載器會加載位於 WEB-INF/lib下的jar文件中的class 和 WEB-INF/classes下的class文件。

　　當應用需要到某個類時，則會按照下面的順序進行類加載：

　　1 使用bootstrap引導類加載器加載

　　2 使用system系統類加載器加載

　　3 使用應用類加載器在WEB-INF/classes中加載

　　4 使用應用類加載器在WEB-INF/lib中加載

　　5 使用common類加載器在CATALINA_HOME/lib中加載

問題擴展

　　通過對上面tomcat類加載機制的理解，就不難明白為什么java文件放在Eclipse中的src文件夾下會優先jar包中的class?

　　這是因為Eclipse中的src文件夾中的文件java以及webContent中的JSP都會在tomcat啟動時，被編譯成class文件放在 WEB-INF/class 中。

　　而Eclipse外部引用的jar包，則相當於放在 WEB-INF/lib 中。

　　因此肯定是 java文件或者JSP文件編譯出的class優先加載。

　　通過這樣，我們就可以簡單的把java文件放置在src文件夾中，通過對該java文件的修改以及調試，便於學習擁有源碼java文件、卻沒有打包成xxx-source的jar包。

　　另外呢，開發者也會因為粗心而犯下面的錯誤。

　　在 CATALINA_HOME/lib 以及 WEB-INF/lib 中放置了不同版本的jar包，此時就會導致某些情況下報加載不到類的錯誤。

　　還有如果多個應用使用同一jar包文件，當放置了多份，就可能導致多個應用間出現類加載不到的錯誤。

1. java類加載器

近來了解tomcat的類加載機制，所以先回顧一下java虛擬機類加載器，如果從java虛擬機的角度來看的話，其實類加載器只分為兩種：一種是啟動類加載器(即Bootstrap ClassLoader)，通過使用JNI來實現，我們無法獲取到到它的實例；另一種則是java語言實現java.lang.ClassLoader的子類。一般從我們的角度來看，會根據類加載路徑會把類加載器分為3種：Bootstrap ClassLoader,ExtClassLoader,AppClassLoader.后兩者是sun.misc.Launcher類的內部類，而前者在JDK源碼中是沒有與之對應的類的，倒是在sun.misc.Launcher中可以看到一些它的加載路徑信息。如果找不到sun的源碼，可以下載OpenJDK的來看一下。

Bootstrap ClassLoader：引導類加載器，從%JAVA_RUNTIME_JRE%/lib目錄加載，但並不是將該目錄所有的類庫都加載，它會加載一些符合文件名稱的，例如：rt.jar,resources.jar等。在sun.misc.Launcher源碼中也可以看得它的加載路徑：

private static String bootClassPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");

或者配置-Xbootclasspath參數指定加載的路徑，通過獲取環境變量sun.boot.class.path看一下到底具體加載了那些類：

D:\Program Files\Java\jdk1.7.0_67\jre\lib\resources.jar
D:\Program Files\Java\jdk1.7.0_67\jre\lib\rt.jar
D:\Program Files\Java\jdk1.7.0_67\jre\lib\sunrsasign.jar
D:\Program Files\Java\jdk1.7.0_67\jre\lib\jsse.jar
D:\Program Files\Java\jdk1.7.0_67\jre\lib\jce.jar
D:\Program Files\Java\jdk1.7.0_67\jre\lib\charsets.jar
D:\Program Files\Java\jdk1.7.0_67\jre\lib\jfr.jar
D:\Program Files\Java\jdk1.7.0_67\jre\classes

Extension ClassLoader：擴展類加載器，實現類為sun.misc.Launcher$ExtClassLoader，加載%JAVA_RUNTIME_JRE%/lib/ext/目錄下的jar包，也可以在sun.misc.Launcher源碼中也可以看得它的加載路徑：

String s = System.getProperty("java.ext.dirs");

通過獲取java.ext.dirs環境變量打印一下：

D:\Program Files\Java\jdk1.7.0_67\jre\lib\ext

Appication ClassLoader：應用程序類加載器，或者叫系統類加載器，實現類為sun.misc.Launcher$AppClassLoader。從sun.misc.Launcher的構造函數中可以看到，當AppClassLoader被初始化以后，它會被設置為當前線程的上下文類加載器以及保存到Launcher類的loader屬性中，而通過ClassLoader.getSystemClassLoader()獲取的也正是該類加載器(Launcher.loader)。應用類加載器從用戶類路徑中加載類庫，可以在源碼中看到：

final String s = System.getProperty("java.class.path");

1.1 類關系

classloader-1

由圖看到Bootstrap ClassLoader並不在繼承鏈上，因為它是java虛擬機內置的類加載器，對外不可見。可以看到頂層ClassLoader有一個parent屬性，用來表示着類加載器之間的層次關系（雙親委派模型）；注意，ExtClassLoader類在初始化時顯式指定了parent為null，所以它的父類加載器默認為Bootstrap ClassLoader。在tomcat中都是通過擴展URLClassLoader來實現自己的類加載器。

1.2 雙親委托模型

這3種類加載器之間存在着父子關系(區別於java里的繼承)，子加載器保存着父加載器的引用。當一個類加載器需要加載一個目標類時，會先委托父加載器去加載，然后父加載器會在自己的加載路徑中搜索目標類，父加載器在自己的加載范圍中找不到時，才會交還給子加載器加載目標類。

采用雙親委托模式可以避免類加載混亂，而且還將類分層次了，例如java中lang包下的類在jvm啟動時就被啟動類加載器加載了，而用戶一些代碼類則由應用程序類加載器(AppClassLoader)加載，基於雙親委托模式，就算用戶定義了與lang包中一樣的類，最終還是由應用程序類加載器委托給啟動類加載器去加載，這個時候啟動類加載器發現已經加載過了lang包下的類了，所以兩者都不會再重新加載。當然，如果使用者通過自定義的類加載器可以強行打破這種雙親委托模型，但也不會成功的，java安全管理器拋出將會拋出java.lang.SecurityException異常。

classloader-2

啟動類加載器是擴展類加載器的父類加載器：擴展類加載器在sun.misc.Launcher構造函數中被初始化，它的父類加載器被設置了為null，那為什么還說啟動類加載器是它的父加載器？看一下ClassLoader.loadClass()方法：

 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 首先，查找該類是否已經被加載過了
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {  //未被加載過
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {  // 父類加載器不為null，則調用父類加載器嘗試加載
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {   // 父類加載器為null，則調用本地方法，交由啟動類加載器加載，所以說ExtClassLoader的父類加載器為Bootstrap ClassLoader
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                }
                if (c == null) { //仍然加載不到，只能由本加載器通過findClass去加載
                    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;
        }
    }

從代碼中看到，如果parent==null，將會由啟動類加載器嘗試加載，所以擴展類加載器的父類加載器是啟動類加載器。

擴展類加載器是應用程序類加載器的父類加載器：這個比較好理解，依然是在sun.misc.Launcher構造函數初始化應用程序類加載器時，指定了ExtClassLoader為AppClassLoader的父類加載器:

loader = AppClassLoader.getAppClassLoader(extcl);//loader是ClassLoader的屬性,extcl是擴展類加載器實例

應用程序類加載器是自定義類加載器的父類加載器：這里指的是使用默認構造函數進行自定義類加載器(否則你可以指定parent來構造一個父加載器為ExtClassLoader的自定義類加載器)，無論是通過擴展ClassLoader還是URLClassLoader最終都會獲取系統類加載器(AppClassLoader)作為父類加載器：

protected ClassLoader() {
        //調用getSystemClassLoader方法獲取系統類加載器作為父類加載器
        this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader()); 
    }
public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
        initSystemClassLoader(); //初始化系統類加載器
        .....
        return scl;
    }
private static synchronized void initSystemClassLoader() {
        ......
        sun.misc.Launcher l = sun.misc.Launcher.getLauncher();
        ......
        scl = l.getClassLoader();  //這里拿到的就是在Launcher構造函數中構造的AppClassLoader實例
        ......
        }
    }

2. tomcat7類加載器

tomcat作為一個java web容器，也有自己的類加載機制，通過自定義的類加載機制以實現共享類庫的抽取，不同web應用之間的資源隔離還有熱加載等功能。除了一些java自身的一些類加載器處，它實現的主要類加載器有：Common ClassLoader,Catalina ClassLoader,Shared ClassLoader以及WebApp ClassLoader.通過下面類關系圖以及邏輯關系圖，同時對比上文內容梳理這些類加載器之間的關系。

2.1 類關系圖

classloader-3

從圖中看到了Common,Catalina,Shared類加載器是URLClassLoader類的一個實例，只是它們的類加載路徑不一樣，在tomcat/conf/catalina.properties配置文件中配置(common.loader,server.loader,shared.loader).WebAppClassLoader繼承自WebAppClassLoaderBase,基本所有邏輯都在WebAppClassLoaderBase為中實現了，可以看出tomcat的所有類加載器都是以URLClassLoader為基礎進行擴展。

2.2 邏輯關系圖

classloader-4

上面說到Common,Catalina,Shared類加載器是URLClassLoader類的一個實例，在默認的配置中，它們其實都是同一個對象，即commonLoader，結合初始化時的代碼(只保留關鍵代碼)：

 private void initClassLoaders() {
        commonLoader = createClassLoader("common", null);  // commonLoader的加載路徑為common.loader
        if( commonLoader == null ) {
            commonLoader=this.getClass().getClassLoader();
        }
        catalinaLoader = createClassLoader("server", commonLoader); // 加載路徑為server.loader，默認為空，父類加載器為commonLoader
        sharedLoader = createClassLoader("shared", commonLoader); // 加載路徑為shared.loader，默認為空，父類加載器為commonLoader
    }
 private ClassLoader createClassLoader(String name, ClassLoader parent) throws Exception {
        String value = CatalinaProperties.getProperty(name + ".loader");
        if ((value == null) || (value.equals("")))
            return parent;      // catalinaLoader與sharedLoader的加載路徑均為空，所以直接返回commonLoader對象，默認3者為同一個對象
    }

在上面的代碼初始化時很明確是指出了，catalina與shared類加載器的父類加載器為common類加載器，而初始化commonClassLoader時父類加載器設置為null，最終會調到createClassLoader靜態方法：

 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);  //該構造方法默認獲取系統類加載器為父類加載器，即AppClassLoader
                        else
                            return new URLClassLoader(array, parent);
                    }
                });

    }

在createClassLoader中指定參數parent==null時，最終會以系統類加載器(AppClassLoader)作為父類加載器，這解釋了為什么commonClassLoader的父類加載器是AppClassLoader.

一個web應用對應着一個StandardContext實例，每個web應用都擁有獨立web應用類加載器(WebClassLoader)，這個類加載器在StandardContext.startInternal()中被構造了出來：

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

這里getParentClassLoader()會獲取父容器StandarHost.parentClassLoader對象屬性，而這個對象屬性是在Catalina$SetParentClassLoaderRule.begin()初始化，初始化的值其實就是Catalina.parentClassLoader對象屬性，再來跟蹤一下Catalina.parentClassLoader，在Bootstrap.init()時通過反射調用了Catalina.setParentClassLoader()，將Bootstrap.sharedLoader屬性設置為Catalina.parentClassLoader，所以WebClassLoader的父類加載器是Shared ClassLoader.

2.3 類加載邏輯

tomcat的類加載機制是違反了雙親委托原則的，對於一些未加載的非基礎類(Object,String等)，各個web應用自己的類加載器(WebAppClassLoader)會優先加載，加載不到時再交給commonClassLoader走雙親委托。具體的加載邏輯位於WebAppClassLoaderBase.loadClass()方法中，代碼篇幅長，這里以文字描述加載一個類過程：

先在本地緩存中查找是否已經加載過該類(對於一些已經加載了的類，會被緩存在resourceEntries這個數據結構中)，如果已經加載即返回，否則繼續下一步。
讓系統類加載器(AppClassLoader)嘗試加載該類，主要是為了防止一些基礎類會被web中的類覆蓋，如果加載到即返回，返回繼續。
前兩步均沒加載到目標類，那么web應用的類加載器將自行加載，如果加載到則返回，否則繼續下一步。
最后還是加載不到的話，則委托父類加載器(Common ClassLoader)去加載。

第3第4兩個步驟的順序已經違反了雙親委托機制，除了tomcat之外，JDBC,JNDI,Thread.currentThread().setContextClassLoader();等很多地方都一樣是違反了雙親委托。

參考：圖解Tomcat類加載機制

參考：深入理解 Tomcat（四）Tomcat 類加載器之為何違背雙親委派模型

參考：java與tomcat7類加載機制

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