关于java:学习Tomcat六之类加载器

通过后面的文章咱们晓得，Tomcat 的申请最终都会交给用户配置的 servlet 实例来解决。Servlet 类是配置在配置文件中的，这就须要类加载器对 Servlet 类进行加载。Tomcat 容器自定义了类加载器，有以下非凡性能：1. 在载入类中指定某些规定；2. 缓存曾经载入的类；3. 实现类的预加载。本文会对 Tomcat 的类加载器进行具体介绍。

Java 类加载器是用户程序和 JVM 虚拟机之间的桥梁，在 Java 程序中起了至关重要的作用，对于其具体实现能够参考了 java 官网文档对于虚拟机加载的教程，点此中转官网参考文档。java 中的类加载默认是采纳双亲委派模型，即加载一个类时，首先判断本身 define 加载器有没有加载过此类，如果加载了间接获取 class 对象，如果没有查到，则交给加载器的父类加载器去反复下面过程。我在另外一篇文章中具体介绍了 Java 的类加载机制，此处不做具体介绍。

在载入 Web 应用程序中须要的 servlet 类及其相干类时要恪守一些明确的规定，例如应用程序中的 servlet 只能援用部署在 WEB-INF/classes 目录及其子目录下的类。然而，servlet 类不能拜访其它门路中的类，即便这些累蕴含在运行以后 Tomcat 的 JVM 的 CLASSPATH 环境变量中。此外，servlet 类只能拜访 WEB-INF/LIB 目录下的库，其它目录的类库均不能拜访。Tomcat 中的载入器值得是 Web 应用程序载入器，而不仅仅是类载入器，载入器必须实现 Loader 接口。Loader 接口的定义如下所示：

public interface Loader {public void backgroundProcess();
    public ClassLoader getClassLoader();
    public Context getContext();
    public void setContext(Context context);
    public boolean getDelegate();
    public void setDelegate(boolean delegate);
    public void addPropertyChangeListener(PropertyChangeListener listener);
    public boolean modified();
    public void removePropertyChangeListener(PropertyChangeListener listener);
}

后台任务 ：Loader 接口须要进行在 servlet 类变更的时候实现类的从新加载，这个工作就是在backgroundProcess() 中实现的，WebApploader 中 backgroundProcess() 的实现如下所示。能够看到，当 Context 容器开启了 Reload 性能并且仓库变更的状况下，Loaders 会先把类加载器设置为 Web 类加载器，重启 Context 容器。重启 Context 容器会重启所有的子 Wrapper 容器，会销毁并从新创立 servlet 类的实例，从而达到动静加载 servlet 类的目标。

    @Override
    public void backgroundProcess() {Context context = getContext();
        if (context != null) {if (context.getReloadable() && modified()) {ClassLoader originalTccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
                try {Thread.currentThread().setContextClassLoader(WebappLoader.class.getClassLoader());
                    context.reload();} finally {Thread.currentThread().setContextClassLoader(originalTccl);
                }
            }
        }
    }

类加载器 ：Loader 的实现中，会应用一个自定义类载入器，它是 WebappClassLoader 类的一个实例。能够应用 Loader 接口的 getClassLoader() 办法来获取 Web 载入器中的 ClassLoader 的实例。默认的类加载器的实现有两种种：ParallelWebappClassLoader 和 WebappClassLoader

Context 容器 ：Tomcat 的载入器通常会与一个 Context 级别的 servelt 容器相关联，Loader 接口的 getContainer() 办法和 setContainer()办法用来将载入器和某个 servlet 容器关联。如果 Context 容器中的一个或者多个类被批改了，载入器也能够反对对类的重载。这样，servlet 程序员就能够从新编译 servlet 类及其相干类，并将其从新载入而不须要重新启动 Tomcat。Loader 接口应用 modified()办法来反对类的主动重载。

类批改检测 ：在载入器的具体实现中，如果仓库中的一个或者多个类被批改了，那么 modified() 办法必须放回 true，能力提供主动重载的反对

父载入器 ：载入器的实现会指明是否要委托给父类的载入器，能够通过 setDelegate() 和 getDelegate 办法配置。

Tomcat 中惟一实现 Loader 接口的类就是 WebappLoader 类，其实例会用作 Web 利用容器的载入器，负责载入 Web 应用程序中所应用的类。在容器启动的时候，WebApploader 会执行以下工作：

创立类加载器
设置仓库
设置类的门路
设置拜访权限
启动新线程来反对主动重载

为了实现类加载性能，WebappLoader 会依照配置创立类加载器的实例，Tomcat 默认有两品种加载器：WebappClassLoader 和 ParallelWebappClassLoader，默认状况下应用 ParallelWebappClassLoader 作为类加载器。用户能够通过 setLoaderClass()设置类加载器的名称。WebappLoader 创立类加载器的源码如下所示，咱们能够看到类加载器的实例必须是 WebappClassLoaderBase 的子类。

    private WebappClassLoaderBase createClassLoader()
        throws Exception {if (classLoader != null) {return classLoader;}

        if (ParallelWebappClassLoader.class.getName().equals(loaderClass)) {return new ParallelWebappClassLoader(context.getParentClassLoader());
        }

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

        ClassLoader parentClassLoader = context.getParentClassLoader();

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

        return classLoader;
    }

WebappLoader 会在启动的时候调用类加载器的初始化办法，类加载器在初始化的时候会设置类加载的仓库地址。默认的仓库地址为 ”/WEB-INF/classes” 和 ”/WEB-INF/lib”。类加载器初始化源码如下所示：

    @Override
    public void start() throws LifecycleException {

        state = LifecycleState.STARTING_PREP;

        WebResource[] classesResources = resources.getResources("/WEB-INF/classes");
        for (WebResource classes : classesResources) {if (classes.isDirectory() && classes.canRead()) {localRepositories.add(classes.getURL());
            }
        }
        WebResource[] jars = resources.listResources("/WEB-INF/lib");
        for (WebResource jar : jars) {if (jar.getName().endsWith(".jar") && jar.isFile() && jar.canRead()) {localRepositories.add(jar.getURL());
                jarModificationTimes.put(jar.getName(), Long.valueOf(jar.getLastModified()));
            }
        }

        state = LifecycleState.STARTED;
    }

设置类门路是在初始化的时候调用 setClassPath()办法实现的 (源码如下)。setClassPath() 办法会在 servlet 上下文中为 Jasper JSP 编译器设置一个字符串类型的属性来指明类门路信息。此处不具体介绍 JSP 相干内容。

  private void setClassPath() {

        // Validate our current state information
        if (context == null)
            return;
        ServletContext servletContext = context.getServletContext();
        if (servletContext == null)
            return;

        StringBuilder classpath = new StringBuilder();

        // Assemble the class path information from our class loader chain
        ClassLoader loader = getClassLoader();

        if (delegate && loader != null) {
            // Skip the webapp loader for now as delegation is enabled
            loader = loader.getParent();}

        while (loader != null) {if (!buildClassPath(classpath, loader)) {break;}
            loader = loader.getParent();}

        if (delegate) {
            // Delegation was enabled, go back and add the webapp paths
            loader = getClassLoader();
            if (loader != null) {buildClassPath(classpath, loader);
            }
        }

        this.classpath = classpath.toString();

        // Store the assembled class path as a servlet context attribute
        servletContext.setAttribute(Globals.CLASS_PATH_ATTR, this.classpath);
    }

若是运行 Tomcat 的时候，应用了平安管理器，则 setPermissions()办法会为类载入器设置拜访相干目录的权限，比方只能拜访 WEB-INF/classes 和 WEB-INF/lib 的目录。若是没有应用平安管理器，则 setPermissions()办法只是简略地返回，什么也不做。其源码如下：


    /**
     * Configure associated class loader permissions.
     */
    private void setPermissions() {if (!Globals.IS_SECURITY_ENABLED)
            return;
        if (context == null)
            return;

        // Tell the class loader the root of the context
        ServletContext servletContext = context.getServletContext();

        // Assigning permissions for the work directory
        File workDir =
            (File) servletContext.getAttribute(ServletContext.TEMPDIR);
        if (workDir != null) {
            try {String workDirPath = workDir.getCanonicalPath();
                classLoader.addPermission
                    (new FilePermission(workDirPath, "read,write"));
                classLoader.addPermission
                    (new FilePermission(workDirPath + File.separator + "-",
                                        "read,write,delete"));
            } catch (IOException e) {// Ignore}
        }

        for (URL url : context.getResources().getBaseUrls()) {classLoader.addPermission(url);
        }
    }

WebappLoader 类反对主动重载性能。如果 WEB-INF/classes 目录或者 WEB-INF/lib 目录下的某些类被从新编译了，那么这个类会主动从新载入，而无需重启 Tomcat。为了实现此目标，WebappLoader 类应用一个线程周期性的查看每个资源的工夫戳。间隔时间由变量 checkInterval 指定，单位为 s，默认状况下，checkInterval 的值为 15s，每隔 15s 会查看顺次是否有文件须要主动从新载入。顶层容器在启动的时候，会启动定时线程池循环调用 backgroundProcess 工作。

    protected void threadStart() {
        if (backgroundProcessorDelay > 0
                && (getState().isAvailable() || LifecycleState.STARTING_PREP.equals(getState()))
                && (backgroundProcessorFuture == null || backgroundProcessorFuture.isDone())) {if (backgroundProcessorFuture != null && backgroundProcessorFuture.isDone()) {
                // There was an error executing the scheduled task, get it and log it
                try {backgroundProcessorFuture.get();
                } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {log.error(sm.getString("containerBase.backgroundProcess.error"), e);
                }
            }
            backgroundProcessorFuture = Container.getService(this).getServer().getUtilityExecutor()
                    .scheduleWithFixedDelay(new ContainerBackgroundProcessor(),
                            backgroundProcessorDelay, backgroundProcessorDelay,
                            TimeUnit.SECONDS);
        }
    }

    @Override
    public void backgroundProcess() {Context context = getContext();
        if (context != null) {if (context.getReloadable() && modified()) {ClassLoader originalTccl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
                try {Thread.currentThread().setContextClassLoader(WebappLoader.class.getClassLoader());
                    context.reload();} finally {Thread.currentThread().setContextClassLoader(originalTccl);
                }
            }
        }
    }

Web 应用程序中负责载入类的类载入器有两种：ParallelWebappClassLoader 和 WebappClassLoaderBase，二者实现大同小异，本节以 WebappClassLoader 类加载器为例，介绍 Tomcat 的类加载器。

WebappClassLoader 的设计方案思考了优化和平安两方面。例如，它会缓存之前曾经载入的类来晋升性能，还会缓存加载失败的类的名字，这样，当再次申请加载同一个类的时候，类加载器就会间接抛出 ClassNotFindException 异样，而不是再次去查找这个类。WebappClassLoader 会在仓库列表和指定的 JAR 文件中搜寻须要在载入的类。

为了达到更好的性能，WebappClassLoader 会缓存曾经载入的类，这样下次再应用该类的时候，会间接从缓存中获取。由 WebappClassLoader 载入的类都会被视为资源进行缓存，对应的类为“ResourceEntry”类的实例。ResourceEndty 保留了其所代表的 class 文件的字节流、最初一次批改日期，Manifest 信息等。如下为类加载过程中读取缓存的局部代码和 ResourceEntry 的定义源码。

public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {

    // 省略局部逻辑
    // (0) Check our previously loaded local class cache
    clazz = findLoadedClass0(name);
    if (clazz != null) {if (log.isDebugEnabled())
            log.debug("Returning class from cache");
            if (resolve)
                resolveClass(clazz);
        return clazz;
    }
     // 省略局部逻辑
}

protected Class<?> findLoadedClass0(String name) {String path = binaryNameToPath(name, true);

    ResourceEntry entry = resourceEntries.get(path);
    if (entry != null) {return entry.loadedClass;}
     return null;
}


public class ResourceEntry {
    /**
     * The "last modified" time of the origin file at the time this resource
     * was loaded, in milliseconds since the epoch.
     */
    public long lastModified = -1;

    /**
     * Loaded class.
     */
    public volatile Class<?> loadedClass = null;
}

载入类的时候，WebappClassLoader 要遵循如下规定：

因为所有曾经载入的类都会缓存起来，所以载入类的时候要先查看本地缓存。
若本地缓存没有，则查看父类加载器的缓存，调用 ClassLoader 接口的 findLoadedClass()办法。
若两个缓存总都没有，则应用零碎类加载器进行加载，避免 Web 应用程序中的类笼罩 J2EE 中的类。
若启用了 SecurityManager，则查看是否容许载入该类。若该类是禁止载入的类，抛出 ClassNotFoundException 异样。
若关上了标记位 delegate，或者待载入的在类不能用 web 类加载器加载的类，则应用父类加载器来加载器来加载相干类。如果父类加载器为 null，则应用零碎类加载器。
从以后仓库载入类。
以后仓库没有须要载入的类，而且 delegate 敞开，则是用父类载入器来载入相干的类。
若没有找到须要加载的类，则抛出 ClassNotFindException。

Tomcat 容器在启动的时候会初始化类加载器，Tomcat 的类加载器分为四种类型：Common 类加载器，Cataline 类加载器和 Shared 类加载器，此外每个利用都会有本人的 Webapp 类加载器，也就是咱们上文介绍的 WebappClassLoader，四者之间的关系如下所示。

Common 类加载器，Cataline 类加载器和 Shared 类加载器会在 Tomcat 容器启动的时候就初始化实现，初始化代码如下所示：

    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);
        }
    }


    private ClassLoader createClassLoader(String name, ClassLoader parent)
        throws Exception {String value = CatalinaProperties.getProperty(name + ".loader");
        if ((value == null) || (value.equals("")))
            return parent;

        value = replace(value);

        List<Repository> repositories = new ArrayList<>();

        String[] repositoryPaths = getPaths(value);

        for (String repository : repositoryPaths) {
            // Check for a JAR URL repository
            try {@SuppressWarnings("unused")
                URL url = new URL(repository);
                repositories.add(new Repository(repository, RepositoryType.URL));
                continue;
            } catch (MalformedURLException e) {// Ignore}

            // Local repository
            if (repository.endsWith("*.jar")) {
                repository = repository.substring
                    (0, repository.length() - "*.jar".length());
                repositories.add(new Repository(repository, RepositoryType.GLOB));
            } else if (repository.endsWith(".jar")) {repositories.add(new Repository(repository, RepositoryType.JAR));
            } else {repositories.add(new Repository(repository, RepositoryType.DIR));
            }
        }

        return ClassLoaderFactory.createClassLoader(repositories, parent);
    }

而 Webapp 类加载器则是在 Context 容器启动时候有 WebappLoader 初始化，Webapp 类加载器的父类加载器是 Tomcat 容器在初始化阶段通过反射设置的，反射设置父类加载器的源码如下所示：

    public void init() throws Exception {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.getConstructor().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;
    }

一个 web 容器可能须要部署两个应用程序，不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本，不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份，因而要保障每个应用程序的类库都是独立的，保障互相隔离。所以每个利用须要本身的 Webapp 类加载器。
部署在同一个 web 容器中雷同的类库雷同的版本能够共享。否则，如果服务器有 10 个应用程序，那么要有 10 份雷同的类库加载进虚拟机。所以须要 Shared 类加载器
web 容器也有本人依赖的类库，不能于应用程序的类库混同。基于平安思考，应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。所以须要 Cataline 类加载器。
web 容器要反对 jsp 的批改，咱们晓得，jsp 文件最终也是要编译成 class 文件能力在虚拟机中运行，但程序运行后批改 jsp 曾经是司空见惯的事件，否则要你何用？所以，web 容器须要反对 jsp 批改后不必重启。

还有最初一个类的共享的问题，如果十个 web 利用都引入了 spring 的类，因为 web 类加载器的隔离，那么对内存的开销是很大的。此时咱们能够想到 shared 类加载器，咱们必定都会抉择将 spring 的 jar 放于 shared 目录底下，然而此时又会存在一个问题，shared 类加载器是 webapp 类加载器的 parent，若 spring 中的 getBean 办法须要加载 web 利用底下的类，这种过程是违反双亲委托机制的。

突破双亲委托机制的枷锁：线程上下文类加载器线程上下文类加载器是指的以后线程所用的类加载器，能够通过 Thread.currentThread().getContextClassLoader()取得或者设置。在 spring 中，他会抉择线程上下文类加载器去加载 web 利用底下的类，如此就突破了双亲委托机制。

tomcat 学习 |tomcat 中的类加载器
深刻了解 Tomcat（五）类加载机制

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关于java:学习Tomcat六之类加载器

Java 类加载双亲委派模型

Loader 接口

WebappLoader 类

创立类加载器

设置仓库

设置类门路

设置拜访权限

开启新线程执行类的从新载入

WebappClassLoader 类加载器

类缓存

载入类

Tomcat 类加载构造

Tomcat 类加载构造的目标

参考文档列表