Tomcat类加载机制分析

JDK的类加载机制是双亲委派：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。

但是Tomcat的类加载机制与此不同。

Tomcat在初始化时，会创建以下4种类加载器（Tomcat 8.5）。

       Bootstrap           
          |
       System              
          |
       Common          
       /     \
  Webapp1   Webapp2 ...
  • Bootstrap：负责加载JVM提供的基础的运行时类（即rt.jar）以及${JAVA\_HOME}/jre/lib/ext下的类（相当于JDK本身的Bootstrap和Extension这两个类加载器的功能）。
  • System：该类加载器通常会加载环境变量CLASSPATH中的类，但是Tomcat并不是如此，它会忽略CLASSPATH，而去加载$CATALINA_HOME/bin目录下的3个jar（启动脚本中写死的）：
    • bootstrap.jar
    • tomcat-juli.jar（如果$CATALINA_BASE/bin目录下也有这个包，会使用$CATALINA_BASE/bin目录下的）
    • commons-daemon.jar
  • Common ：该类加载器加载的类，对Tomcat自身和所有Web应用都可见。通常情况下，应用的类文件不应该放在Common ClassLoader中。Common会扫描 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties中common.loader属性指定的路径中的类文件。默认情况下，它会按顺序去下列路径中去加载：
    • $CATALINA_BASE/lib中未打包的classes和resources
    • $CATALINA_BASE/lib中的jar文件
    • $CATALINA_HOME/lib中未打包的classes和resources
    • $CATALINA_HOME/lib中的jar文件

默认情况下，这些路径下的jar主要有以下这些：

  • annotations-api.jar — JavaEE annotations classes.
  • catalina.jar — Implementation of the Catalina servlet container portion of Tomcat.
  • catalina-ant.jar — Tomcat Catalina Ant tasks.
  • catalina-ha.jar — High availability package.
  • catalina-storeconfig.jar — Generation of XML configuration files from current state
  • catalina-tribes.jar — Group communication package.
  • ecj-*.jar — Eclipse JDT Java compiler.
  • el-api.jar — EL 3.0 API.
  • jasper.jar — Tomcat Jasper JSP Compiler and Runtime.
  • jasper-el.jar — Tomcat Jasper EL implementation.
  • jsp-api.jar — JSP 2.3 API.
  • servlet-api.jar — Servlet 3.1 API.
  • tomcat-api.jar — Several interfaces defined by Tomcat.
  • tomcat-coyote.jar — Tomcat connectors and utility classes.
  • tomcat-dbcp.jar — Database connection pool implementation based on package-renamed copy of Apache Commons Pool and Apache Commons DBCP.
  • tomcat-i18n-**.jar — Optional JARs containing resource bundles for other languages. As default bundles are also included in each individual JAR, they can be safely removed if no internationalization of messages is needed.
  • tomcat-jdbc.jar — An alternative database connection pool implementation, known as Tomcat JDBC pool. See documentation for more details.
  • tomcat-util.jar — Common classes used by various components of Apache Tomcat.
  • tomcat-websocket.jar — WebSocket 1.1 implementation
  • websocket-api.jar — WebSocket 1.1 API
  • WebappX 每一个部署在Tomcat中的web应用，Tomcat都会为其创建一个WebappClassloader，它会去加载应用WEB-INF/classes目录下所有未打包的classes和resources，然后再去加载WEB-INF/lib目录下的所有jar文件。每个应用的WebappClassloader都不同，因此，它加载的类只对本应用可见，其他应用不可见（这是实现web应用隔离的关键）。

正如上面提到的，WebappClassloader的行为与Java默认的双亲委派模型是有所区别的。当WebappClassloader收到加载类的请求时，它首先在自己的路径（repository）中去寻找类的class文件（而不是委托给父类去加载）。但是有例外：JRE中的类库是不允许重写的！

从应用的视角来看，当有类加载的请求时，class或者resource的查找顺序是这样的：

  1. JVM中的类库，如rt.jar和$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的jar

  2. 应用的/WEB-INF/classes目录

  1. 应用的/WEB-INF/lib/*.jar

  2. SystemClassloader加载的类（如上所述）

  3. CommonClassloader加载的类（如上所述）

但是，如果你的应用配置了<loader delegate="true"/>，那么查找顺序就会变为：

  1. JVM中的类库，如rt.jar和$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的jar

  1. SystemClassloader加载的类（如上所述）

  2. CommonClassloader加载的类（如上所述）

  3. 应用的/WEB-INF/classes目录

  4. 应用的/WEB-INF/lib/*.jar

QA

Q：默认配置下，在项目中如果在一个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？

A：多个应用之间的相同类库，由于使用不同的类加载器进行加载，它们仍然是不同的对象。
对于任意一个类，都需要由加载它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：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的前提下才有意义，否则即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。这里所指的相等，包括代表类的Class类的对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

Q：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？

A：可以，可以将这些公共的类库放在Common类加载器的扫描范围，具体做法是在$CATALINA_BASE/conf/catalina.properties中common.loader属性中追加你自己的应用共用的jar。common.loader默认值为：

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

Q：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，会加载应用本身引入的servlet-api这个jar吗？

A：不会。对于我们应用内提供的Servlet-api，应用服务器是不会加载的，因为容器已经自已加载过了。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。

Q：假如有一个jar包（非Java规范或Servlet规范的实现包，只是普通的其他第三方包），这个jar文件在$CATALINA_HOME/bin（或者在$CATALINA_HOME/lib）目录、应用本身的/WEB-INF/lib目录下都各有一份，那么最终应用中使用的是哪个jar？

A：分为两种情况讨论

  • 1.Jar在$CATALINA_HOME/bin和WEB-INF/lib下 这种情况下，总是以应用中的jar为准：因为自己放在$CATALINA_HOME/bin下的jar根本不会被加载，SystemClassloader只会加载$CATALINE_HOME/bin下的自带的3个jar（上面提高的那三个），这是在Tomcat中的启动脚本中catalina.sh写死的，其他放在该目录的jar，不会被加载。
  • 2.Jar在$CATALINA_HOME/lib和WEB-INF/lib下
    这种情况下，又有两种情形：①默认情形(<loader delegate="false">)，按照Tomcat的类加载机制，WebappClassloader加载，而WebappClassLoader首先在自己的路径范围（即/WEB-INF/lib目录）查找，发现自己的路径内含有要加载的类的class文件，就会将其load到JVM中，结束这次类加载；②修改了Tomcat默认的类加载机制，即配置了<loader delegate=true>，那么WebappClassloader在收到加载jar内某各类的加载请求时，会直接将类加载请求委托给父类CommonClassloader，CommonClassloader就会去自己的路径范围去查找对应class文件，完成加载。

验证思路：

①写一个类Dog，打包，将其放在$CATALINA_HOME/bin或者$CATALINA_HOME/lib下

  public class Dog{
  public Dog(){
     System.out.println("a dog born in tomcat internal");
  }
  }

②将Dog类该写为，打包，新增webapp项目，将jar放在该webapp项目的/WEB-INF/lib目录下

  public class Dog{
  public Dog(){
     System.out.println("a dog born in webapp");
  }
  }

③使该项目在该Tomcat下运行，观察输出内容。

④修改$CATALINA_HOME/conf/Context.xml，添加内容<Loader delegate="true"/>，再次运行项目，观察输出内容

TODO：这种类加载机制的实现细节。比如，当java.util.ArralyList的加载时的流程走向的实现细节。

参考

Tomcat-8.5-官方文档：Class Loader HOW-TO

Tomcat类加载器及应用间class隔离与共享

Tomcat那些事儿

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