Tomcat源码解读：ClassLoader的设计

         Tomcat是一个经典的web server，学习tomcat的源码对于我们是有很大的帮助的。前一段时间了解了tomcat的工作的大致流程，对我的新工作有了很大的帮助。刚学习了ClassLoader（学习classloader的初衷源于公司产品的一个bug），也将我对classloaderp写成了一篇博客。为了对ClassLoader有更多的理解，现在就来看看Tomcat 6 的ClassLoader设计。

         之前通过对tomcat的启动过程、tomcat处理request的过程进行简单的了解，了解tomcat的各个组件及其功能。在这两个过程中，都有ClassLoader的影子，所以今天依旧从这两个方面入手，来了解Tomcat 如何使用ClassLoader。

StandardClassLoader

Bootstrap.main()方法简单点说就是执行4个方法：init , setAwait, load, start。

init

public void init()
        throws Exception
    {

        // Set Catalina path
        setCatalinaHome();
        setCatalinaBase();

        initClassLoaders();

        Thread.currentThread().setContextClassLoader(catalinaLoader);

        SecurityClassLoad.securityClassLoad(catalinaLoader);

        // Load our startup class and call its process() method
        if (log.isDebugEnabled())
            log.debug("Loading startup class");
        Class startupClass =
            catalinaLoader.loadClass
            ("org.apache.catalina.startup.Catalina");
        Object startupInstance = startupClass.newInstance();

        // Set the shared extensions class loader
        if (log.isDebugEnabled())
            log.debug("Setting startup class properties");
        String methodName = "setParentClassLoader";
        Class paramTypes[] = new Class[1];
        paramTypes[0] = Class.forName("java.lang.ClassLoader");
        Object paramValues[] = new Object[1];
        paramValues[0] = sharedLoader;
        Method method =
            startupInstance.getClass().getMethod(methodName, paramTypes);
        method.invoke(startupInstance, paramValues);

        catalinaDaemon = startupInstance;

    }

在init方法中调用首先initClassLoader方法来初始化Tomcat的ClassLoader模块，然后是使用刚自定义类加载器加载catalinaLoader 来加载org.apache.catalina.startup.Catalina 类。接下来是调用Catalina中的setParentClassLoader方法。

那就看看initClassLoader中将Tomcat的ClassLoader模块初始化成什么样子的：

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) {
            log.error("Class loader creation threw exception", t);
            System.exit(1);
        }
}

这里其实就是创建了3个ClassLoader，分别是commonLoader, catalinaLoader, sharedLoader。而其实它们之间是有这某种关系的：

private ClassLoader createClassLoader(String name, ClassLoader parent)
        throws Exception {
String value = CatalinaProperties.getProperty(name + ".loader");
        if ((value == null) || (value.equals("")))
            return parent;
// some statement
ClassLoader classLoader = ClassLoaderFactory.createClassLoader
            (locations, types, parent);
   // some statement
}

也就是说启动过程初始化后的ClassLoader模型为：

其中顶部的3个classLoader对象都由JDK提供的。commonLoader, catalinaLoader, sharedLoader它们三个有一个共同的名字：StandardClassLoader。

bootstrapClassLoader是加载java_home/jre/lib目录下的个别jar包（不是全部）

extClassLoader是加载java_home/jre/lib/ext目录下的jar包

AppClassLoader是加载classpath中指定的jar包

在catalina.properties文件中则指出了这3个ClassLoader默认的加载路径。

common.loader=${catalina.home}/lib,${catalina.home}/lib/*.jar
server.loader=
shared.loader=

这个文件是在jar包中的，在使用tomcat时是不可以修改的。如果想要修改默认的加载路径，该怎么办呢？可以在catalina.config配置

想要了解是什么原因，可以参考CatalinaProperties类的实现。

上面说了Bootstrap的main方法中其实就是调用了4个方法init，setAwait, start, load，除了init外，另外3个方法其实就是调用Catalina对象的对应的setAwait，start, load方法。

从init方法的实现中，可以知道，在Bootstrap类中，除了Catalina类是由catalinaClassLoader加载的之外，其余的类都是JDK提供的ClassLoader加载的。也就是说根据上节学习的内容，Catalina类在当前类Bootstrap类中是不能直接调用的。然而这里又要调用Catalina中的方法，我在上节的测试中，采取的是另外启动一个线程来解决的。今天就来看看Tomcat中如何解决这样的应用场景的：

1）init中调用Catalina的setParentClassLoader方法

Object startupInstance = startupClass.newInstance();

        // Set the shared extensions class loader
        if (log.isDebugEnabled())
            log.debug("Setting startup class properties");
        String methodName = "setParentClassLoader";
        Class paramTypes[] = new Class[1];
        paramTypes[0] = Class.forName("java.lang.ClassLoader");
        Object paramValues[] = new Object[1];
        paramValues[0] = sharedLoader;
        Method method =
            startupInstance.getClass().getMethod(methodName, paramTypes);
        method.invoke(startupInstance, paramValues);

2) setAwait中调用catalina的setAwait方法

public void setAwait(boolean await)
        throws Exception {

        Class paramTypes[] = new Class[1];
        paramTypes[0] = Boolean.TYPE;
        Object paramValues[] = new Object[1];
        paramValues[0] = new Boolean(await);
        Method method = 
            catalinaDaemon.getClass().getMethod("setAwait", paramTypes);
        method.invoke(catalinaDaemon, paramValues);

    }

3）start调用catalina的start方法

public void start()
        throws Exception {
        if( catalinaDaemon==null ) init();

        Method method = catalinaDaemon.getClass().getMethod("start", (Class [] )null);
        method.invoke(catalinaDaemon, (Object [])null);

    }

4）load调用catalina的load方法

private void load(String[] arguments)
        throws Exception {

        // Call the load() method
        String methodName = "load";
        Object param[];
        Class paramTypes[];
        if (arguments==null || arguments.length==0) {
            paramTypes = null;
            param = null;
        } else {
            paramTypes = new Class[1];
            paramTypes[0] = arguments.getClass();
            param = new Object[1];
            param[0] = arguments;
        }
        Method method = 
            catalinaDaemon.getClass().getMethod(methodName, paramTypes);
        if (log.isDebugEnabled())
            log.debug("Calling startup class " + method);
        method.invoke(catalinaDaemon, param);

    }

它们都是使用反射来处理。

现在看来,要解决由不同classLoader加载器加载的类之前的方法调用，就有2种处理方案了：

方案一：另启动一个线程

方案二：使用反射。

Catalina是由catalinaClassLoader加载的，Tomcat启动过程会将Tomcat的相关组件加载并初始化，而这些过程的入口都在Catalina中。所以呢Tomcat中绝在部分组件应当都是由catalinaClassLoader加载的。这句话说的可能有些满，不过呢，我这么说也是有原因的：

在init方法中有这么一个过程：SecurityClassLoad.securityClassLoad(catalinaLoader);

下面来看看这个过程的真面目：

public static void securityClassLoad(ClassLoader loader)
        throws Exception {

        if( System.getSecurityManager() == null ){
            return;
        }
        
        loadCorePackage(loader);
        loadLoaderPackage(loader);
        loadServletsPackage(loader);
        loadSessionPackage(loader);
        loadUtilPackage(loader);
        loadJavaxPackage(loader);
        loadCoyotePackage(loader);
        loadHttp11Package(loader);
        loadTomcatPackage(loader);
}

private final static void loadCorePackage(ClassLoader loader)
        throws Exception {
        String basePackage = "org.apache.catalina.";
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.ApplicationContextFacade$1");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.ApplicationDispatcher$PrivilegedForward");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.ApplicationDispatcher$PrivilegedInclude");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.ContainerBase$PrivilegedAddChild");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.StandardWrapper$1");
        loader.loadClass
            (basePackage +
              "core.ApplicationHttpRequest$AttributeNamesEnumerator");
    }

securityClassLoad(ClassLoader loader)采用了门面(facade)模式来加载各个类。这里只列出了loadCorePackage的实现。其它方法的实现与这个是完全一样的。所以上面 我才说Tomcat中绝在部分组件应当都是由catalinaClassLoader加载的。

同时根据这个方法，也可以看出，要加载内部类，要用外部类与内部类类名之间加上$ 。

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WebappClassLoader

上面说的其实就是Tomcat中的StandardClassLoader，Tomcat中还有一种WebappClassLoader。根据名字就可以看出来，这个ClassLoader是用于加载各个Web Application而设计的。Tomcat的各个组件中与Web Application有对应关系的，也就是StandardContext。为何这么说呢？我们在Web应用中使用的ServletConext（Java EE的标准API）在Tomcat中由ApplicationContext来实现，而ApplicationContext其实就是StandardContext的委托。

这个Classloader是用于加载web应用程序中的类。这个类以后会有专门了解一下。