那些有趣的代码(二)–偏不听父母话的 Tomcat 类加载器
- 2019 年 10 月 30 日
- 筆記
看 Tomcat 的源码越看越有趣。Tomcat 的代码总有一种处处都有那么一点调皮的感觉。今天就聊一聊 Tomcat 的类加载机制。
了解过 JVM 的类加载一定知道，JVM 类加载的双亲委派机制。但是 Tomcat 却打破了 JVM 固有的双亲委派加载机制。
JVM 的类加载
首先需要明确一下类加载是什么？
- Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的加载机制。
JVM 预定义的三个加载器:
- 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：是用本地代码实现的类装入器，它负责将
/lib下面的类库加载到内存中（比如rt.jar）。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。 - 标准扩展类加载器（Extension ClassLoader）：是由 Sun 的
ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将< Java_Runtime_Home >/lib/ext或者由系统变量java.ext.dir指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。 - 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：是由 Sun 的
AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。它负责将系统类路径（CLASSPATH）中指定的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。
双亲委派机制：
所谓双亲委派机制，这里要指出的是，其实双亲委派来源于英文的 ”parents delegate“，仅仅表示的只是”父辈“，可见翻译的人不但英文是半吊子，而且也不了解 JVM 的类加载策略，造成了很大的误解。尤其是这个”双“字在初学的时候给我造成了极大的干扰。所以换个说法，应该是”父辈代理“。
类加载的时候，把加载的这个动作递归的委托给父辈，由父辈代劳，只有父辈无法加载时，才会由自己加载。
双亲委派加载模型：
parents
这里需要特别注意的是加载器的关系并非是继承的关系。我们看代码：
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader{ ... ... } static class AppClassLoader extends URLClassLoader{ ... ... }
二者同时继承了 URLClassLoader ，继承关系如下：
appClassLoader
怎么实现委托机制呢？在 ClassLoader 里面有几处比较重要的代码：
public abstract class ClassLoader { // The parent class loader for delegation // Note: VM hardcoded the offset of this field, thus all new fields // must be added *after* it. private final ClassLoader parent; protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { // First, check if the class has already been loaded Class<?> c = findLoadedClass(name); if (c == null) { long t0 = System.nanoTime(); try { if (parent != null) { // 尝试使用 父辈的 loadClass 方法 c = parent.loadClass(name, false); } else { // 如果没有 父辈的 classLoader 就使用 bootstrap classLoader c = findBootstrapClassOrNull(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // ClassNotFoundException thrown if class not found // from the non-null parent class loader } if (c == null) { // If still not found, then invoke findClass in order // to find the class. long t1 = System.nanoTime(); // 父辈没法加载这个 class，就自己尝试加载 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; } } // 根据类名 寻找 class。我们在之前我们讲过，不通过的 classLoader 加载的 class 的位置不同。 protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { return defineClass(name, res); } }
- 首先在初始化 ClassLoader 的时候需要指定自己的 parent 是谁？（这很重要）
- 先检查类有没被加载，如果类已经被加载了，直接返回。
- 如果没有被加载，则通过 parent 的 loadClass 来尝试加载类。（双亲委派的核心逻辑）
- 找不到 parent 的时候使用 bootstrap ClassLoader 进行加载。
- 如果委托的 parent 没法加载类，那就自己加载。
Tomcat 的类加载
Tomcat 自己实现了自己的类加载器 WebAppClassLoader。类图关系图如下：
WebAppClassLoader
我们就来看看 Tomcat 的类加载器是怎么打破双亲委派的机制的。我们先看代码：
findClass
@Override public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { // Ask our superclass to locate this class, if possible // (throws ClassNotFoundException if it is not found) Class<?> clazz = null; // 先在自己的 Web 应用目录下查找 class clazz = findClassInternal(name); // 找不到 在交由父类来处理 if ((clazz == null) && hasExternalRepositories) { clazz = super.findClass(name); } if (clazz == null) { throw new ClassNotFoundException(name); } return clazz; }
对于 Tomcat 的类加载的 findClass 方法:
- 首先在 web 目录下查找。（重要）
- 找不到再交由父类的 findClass 来处理。
- 都找不到，那就抛出 ClassNotFoundException。
loadClass 方法
public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { synchronized (getClassLoadingLock(name)) { Class<?> clazz = null; //1. 先在本地cache查找该类是否已经加载过 clazz = findLoadedClass0(name); if (clazz != null) { if (resolve) resolveClass(clazz); return clazz; } //2. 从系统类加载器的cache中查找是否加载过 clazz = findLoadedClass(name); if (clazz != null) { if (resolve) resolveClass(clazz); return clazz; } // 3. 尝试用ExtClassLoader类加载器类加载 ClassLoader javaseLoader = getJavaseClassLoader(); try { clazz = javaseLoader.loadClass(name); if (clazz != null) { if (resolve) resolveClass(clazz); return clazz; } } catch (ClassNotFoundException e) { // Ignore } // 4. 尝试在本地目录搜索class并加载 try { clazz = findClass(name); if (clazz != null) { if (resolve) resolveClass(clazz); return clazz; } } catch (ClassNotFoundException e) { // Ignore } // 5. 尝试用系统类加载器(也就是AppClassLoader)来加载 try { clazz = Class.forName(name, false, parent); if (clazz != null) { if (resolve) resolveClass(clazz); return clazz; } } catch (ClassNotFoundException e) { // Ignore } } //6. 上述过程都加载失败，抛出异常 throw new ClassNotFoundException(name); }
总结一下加载的步骤：
- 先在本地cache查找该类是否已经加载过，看看 Tomcat 有没有加载过这个类。
- 如果Tomcat 没有加载过这个类，则从系统类加载器的cache中查找是否加载过。
- 如果没有加载过这个类，尝试用ExtClassLoader类加载器类加载，重点来了，这里并没有首先使用 AppClassLoader 来加载类。这个Tomcat 的 WebAPPClassLoader 违背了双亲委派机制，直接使用了 ExtClassLoader来加载类。这里注意 ExtClassLoader 双亲委派依然有效，ExtClassLoader 就会使用 Bootstrap ClassLoader 来对类进行加载，保证了 Jre 里面的核心类不会被重复加载。比如在 Web 中加载一个 Object 类。WebAppClassLoader → ExtClassLoader → Bootstrap ClassLoader，这个加载链，就保证了 Object 不会被重复加载。
- 如果 BoostrapClassLoader，没有加载成功，就会调用自己的 findClass 方法由自己来对类进行加载，findClass 加载类的地址是自己本 web 应用下的 class。
- 加载依然失败，才使用 AppClassLoader 继续加载。
- 都没有加载成功的话，抛出异常。
总结一下以上步骤，WebAppClassLoader 加载类的时候，故意打破了JVM 双亲委派机制，绕开了 AppClassLoader，直接先使用 ExtClassLoader 来加载类。
- 保证了基础类不会被同时加载。
- 由保证了在同一个 Tomcat 下不同 web 之间的 class 是相互隔离的。
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准备把有趣的代码这个系列慢慢写下去，发现编程的乐趣：
