Tomcat源码分析（类加载与类加载器）

Tomcat的挑战

Tomcat上可以部署多个项目

Tomcat的一般部署，可以通过多种方式启动一个Tomcat部署多个项目，那么Tomcat在设计时会遇到什么挑战呢？

Tomcat运行时需要加载哪些类

Tomcat中的多个项目可能存在相同的类

Tomcat中类加载的挑战

源码分析彻底弄懂Tomcat的类加载

类加载与类加载器

类加载

类加载：主要是将.class文件中的二进制字节读入到JVM中

我们可以看到因为这个定义，所以并没有规定一定是要磁盘加载文件，可以通过网络，内存什么的加载。只要是二进制流字节数据，JVM就认。

类加载过程：

1.通过类的全限定名获取该类的二进制字节流；

2.将字节流所代表的静态结构转化为方法区的运行时数据结构

3.在内存中生成一个该类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

类加载器

定义：JVM设计者把“类加载”这个动作放到java虚拟机外部去实现，以便让应用程序决定如何获取所需要的类。实现这个动作的代码模块成为“类加载器”

类与类加载器

对于任何一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类来确定其在JVM中的唯一性。也就是说，两个类来源于同一个Class文件，并且被同一个类加载器加载，这两个类才相等。

注意：这里所谓的“相等”，一般使用instanceof关键字做判断。

类加载器与双亲委派模型

类加载器

启动类加载器：该加载器使用C++语言实现，属于虚拟机自身的一部分。

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）:负责加载JAVA_HOMElib目录中并且能被虚拟机识别的类库加载到JVM内存中，如果名称不符合的类库即使在lib目录中也不会被加载。该类加载器无法被java程序直接引用

拓展类加载器与应用程序类加载器：另一部分就是所有其它的类加载器，这些类加载器是由Java语言实现，独立于JVM外部，并且全部继承抽象类java.lang.ClassLoader。

扩展类加载器(Extension ClassLoader):该加载器主要负责加载JAVA_HOMElibext目录中的类库，开发者可以使用扩展加载器。

应用程序类加载器（Application ClassLoader）:该列加载器也称为系统加载器，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该类加载器，如果应用程序中没有自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

定义：双亲委派模型的工作过程为：如果一个类加载器收到了类请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父加载器去完成，每一层都是如此，因此所有类加载的请求都会传到启动类加载器，只有当父加载器无法完成该请求时，子加载器才去自己加载。

实现方式：该模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。子类加载器不是以继承的关系来实现，而是通过组合关系来复用父加载器的代码。

意义：好处双亲委派模型的好处就是java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如：Object,无论那个类加载器去加载该类，最终都是由启动类加载器进行加载的，因此Object类在程序的各种类加载环境中都是一个类。如果不用改模型，那么java.lang.Object类存放在classpath中，那么系统中就会出现多个Object类，程序变得很混乱。

双亲委派模型

    从虚拟机的角度来说，有两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）,该加载器使用C++语言实现，属于虚拟机自身的一部分。另一部分就是所有其它的类加载器，这些类加载器是由Java语言实现，独立于JVM外部，并且全部继承抽象类java.lang.ClassLoader.

    从java开发人员的角度看，大部分java程序会用到以下三种系统提供的类加载器：

    1、启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）:负责加载JAVA_HOMElib目录中并且能被虚拟机识别的类库加载到JVM内存中，如果名称不符合的类库即使在lib目录中也不会被加载。该类加载器无法被java程序直接引用。

    2、扩展类加载器(Extension ClassLoader):该加载器主要负责加载JAVA_HOMElibext目录中的类库，开发者可以使用扩展加载器。  

     3、应用程序类加载器（Application ClassLoader）:该列加载器也称为系统加载器，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该类加载器，如果应用程序中没有自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。

JVM中的类加载器源码分析

AppClassLoader

 

URLClassLoader

 

SecureClassLoader

 

Tomcat中的类加载解决方案

Tomcat类加载的考虑

隔离性

Web应用类库相互隔离，避免依赖库或者应用包相互影响，比如有两个Web应用，一个采用了Spring 4,一个采用了Spring 5,而如果如果采用同一个类加载器，那么Web应用将会由于jar包覆盖而无法启动成功。

 

 

灵活性

因为隔离性，所以Web应用之间的类加载器相互独立，如果一个Web应用重新部署时，该应用的类加载器重新加载，同时不会影响其他web应用。

比如：不需要重启Tomcat的创建xml文件的类加载，

还有context元素中的reloadable字段：如果设置为true的话，Tomcat将检测该项目是否变更，当检测到变更时，自动重新加载Web应用。

性能

由于每一个Web应用都有一个类加载器，所以在Web应用在加载类时，不会搜索其他Web应用包含的Jar包，性能自然高于只有一个类加载的情况。

Tomcat中的类加载器

Tomcat提供3个基础类加载器（common、catalina、shared）和Web应用类加载器。

 

Tomcat中的类加载源码分析

三个基础类加载器

介绍

3个基础类加载器的加载路径在catalina.properties配置，默认情况下，3个基础类加载器的实例都是一个。

createClassLoader调用ClassLoaderFactory属于一种工厂模式，并且都是使用URLClassLoader

 

 

默认情况三个是一个实例，但是可以通过修改配置创建3个不同的类加载机制，使它们各司其职。

举个例子：如果我们不想实现自己的会话存储方案，并且这个方案依赖了一些第三方包，我们不希望这些包对Web应用可见，因此我们可以配置server.loader,创建独立的Catalina类加载器。

共享性：

Tomcat通过Common类加载器实现了Jar包在应用服务器与Web应用之间的共享，

通过Shared类加载器实现了Jar包在Web应用之间的共享

通过Catalina类加载器加载服务器依赖的类。

 

类加载工厂

因为类加载需要做很多事情，比如读取字节数组、验证、解析、初始化等。而Java提供的URLClassLoader类能够方便的将Jar、Class或者网络资源加载到内存中。而Tomcat中则用一个工厂类，ClassLoaderFactory把创建类加载器的细节进行封装，可以通过它方便的创建自定义类加载器。

 

 

 

 

 

 

使用加载器工厂的好处

1. ClassLoadFactory有一个内部Repository，它就是表示资源的类，资源的类型用一个RepositoryType的枚举表示。
2. 同时我们看到，如果在检查jar包的时候，如果有检查的URL地址的如果检查有异常就忽略掉，可以确保部分类加载正确。

 

尽早设置线程上下文类加载器

 

每一个运行线程中有一个成员ContextClassLoader,用于在运行时动态载入其他类，当程序中没有显示声明由哪个类加载器去加载哪个类（比如new出一个类时），将默认由当前线程类加载器加载，所以一般系统默认的ContextClassLoad是系统类加载器。

一般在实际的系统上，使用线程上下文类加载器，可以设置不同的加载方式，这个也是Java灵活的类加载方式的体现，也可以很轻松的打破双亲委派模式，同时也会避免类加载的异常。

Webapp类加载器

每个web应用会对一个Context节点，在JVM中就会对应一个org.apache.catalina.core.StandardContext对象，而每一个StandardContext对象内部都一个加载器实例loader实例变量。这个loader实际上是WebappLoader对象。而每一个 WebappLoader 对象内部关联了一个 classLoader 变量（就这这个类的定义中，可以看到该变量的类型是org.apache.catalina.loader.WebappClassLoader）。

所以，这里一个web应用会对应一个StandardContext 一个WebappLoader 一个WebappClassLoader 。

一个web应用对应着一个StandardContext实例，每个web应用都拥有独立web应用类加载器(WebappClassLoader)，这个类加载器在StandardContext.startInternal()中被构造了出来。

 

 

注意这里：设置加载器和获取加载器都使用了读写锁机制，确保多线程情况下对共享资源的访问不会出现问题。

同时因为Tomcat的生命周期管理，必定会调用WebappLoader.java的startInternal()方法，该方法中new出了

 

所以总结一句话，如果没有弄懂Tomcat的启动流程，以及弄懂Tomcat的生命周期的管理，很多地方的源码是没有办法没有看懂，所以看源码也有一个先后顺序。

热加载源码分析

当配置信息中有reloadable的属性，并且值为true时，Tomcat怎么去完成这个过程呢？

 

还是看源码，据Tomcat的启动流程，我们分析下Context的初始化start方法，根据之前的课程我们可知道，Context只是一个接口，具体实现类是StandardContext，我们分析下startInternal方法（此方法由之前的抽闲骨架类中的start方法触发）

 

我发现有一个线程启动的方法 threadStart(),

 

由上图我们知道，这个是父类中调用，