浅议tomcat与classloader

关于tomcat和classloader的文章，网上多如牛毛，且互相转载，所以大多数搜到的基本上是讲到了tomcat中classloader的几个层次，对于初接触classloader，看了之后还是只知其然不知其所以然。

我以为，学习tomcat classloader，先得追溯到为什么tomcat要自己造一堆自己的classloader出来，了解了这个之后才知道classloader用在什么地方，什么时候该新写，什么时候使用jvm的默认classloader；之后，得明白每个原因背后的道理，所谓明白，就是能将整个过程理清楚。

开始之前，不得不费点篇幅申明，关于classloader，jvm的classloader等内容，请自行查阅资料（网上搜索或jvm相关资料），做到心中有个概念，相信读完此文，应该会加深这个印象。

一直比较好奇，为什么tomcat需要实现自己的classloader，jvm提供的classloader有什么不符合需要？

事实上，tomcat之所以造了一堆自己的classloader，大致是出于下面三类目的：

1. 对于各个webapp中的class和lib，需要相互隔离，不能出现一个应用中加载的类库会影响另一个应用的情况；而对于许多应用，需要有共享的lib以便不浪费资源，举个例子，如果webapp1和webapp2都用到了log4j，可以将log4j提到tomcat/lib中，表示所有应用共享此类库，试想如果log4j很大，并且20个应用都分别加载，那实在是没有必要的。

2. 第二个原因则是与jvm一样的安全性问题。使用单独的classloader去装载tomcat自身的类库，以免其他恶意或无意的破坏；

3. 第三个原因是热部署的问题。相信大家一定为tomcat修改文件不用重启就自动重新装载类库而惊叹吧。

由于篇幅所限，本文集中探讨第一个和第三个原因，即tomcat中如何利用classloader做到部分隔离，部分共享的，以及tomcat如何做到热部署的。

首先，我们讨论tomcat中如何做到lib的部分隔离，部分共享的。在Bootstrap中，可以找到如下代码：

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);
}
}

应该可以看出来，这里创建了3个classloader，分别是common，server和shared，并且common是server和shared之父。如果感兴趣，可以看下createClassLoader，它会调用进ClassLoaderFactory.createClassLoader，这个工厂方法最后会创建一个StandardClassLoader，StandardClassLoader仅仅继承了URLClassLoader而没有其他更多改动，也就是说上面3个classloader都是StandardClassLoader，除了层次关系之外，他们与jvm定义的classloader并没有区别，这就意味着他们同样遵循双亲委派模型，只要我们能够用它装载指定的类，则它就自然的嵌入到了jvm的classloader体系中去了。Tomcat的classloader体系如图：



问题来了，tomcat是如何将自己和webapp的所有类用自己的classloader加载的呢？是否需要有个专门的地方遍历所有的类并将其加载，可是代码里并不能找到这样的地方。而且相对来说，将不用的类显式的加载进来也是一种浪费，那么，tomcat（或者说jvm）是如何做到这点呢？

这里有个隐式加载的问题，所谓的隐式加载，就是指在当前类中所有new的对象，如果没有被加载，则使用当前类的类加载器加载，即this.getClass(),getClassLoader()会默认加载该类中所有被new出来的对象的类（前提是他们没在别处先被加载过）。从这里思考，我们一个一个的应用，本质上是什么样子，事实上，正如所有程序都有一个main函数一样，所有的应用都有一个或多个startup的类（即入口），这个类是被最先加载的，并且随后的所有类都像树枝一样以此类为根被加载，只要控制了加载该入口的classloader，等于就控制了所有其他相关类的classloader。

以此为线索来看tomcat的Bootstrap中的init代码

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catalinaLoader.loadClass之后，Catalina事实上就由server这个classloader加载进来了，而下一句newInstance时，所有以Catalina为根的对象的类也会全部被隐式加载进来，但是为什么这里需要在其后费尽笔墨反射去setParentClassLoader呢，直接用((Catalina)startupInstance).setParentClassLoader岂不是更加方便？要注意，如果这样写，这个强制转换的Catalina便会由加载BootStrap的classloader(URLClassLoader)加载进来，而startupInstance是由StandardClassLoader加载进来的，并不是一个class，由此会抛一个ClassCastException。这也是类库可能发生冲突的一个原因。

有同学问到为什么在eclipse中调试tomcat源码时把反射换成((Catalina)startupInstance).setParentClassLoader是完全合法的，没有报任何异常。这里需要注意tomcat的启动默认会把bin下的bootstrap.jar加入classpath：set "CLASSPATH=%CLASSPATH%%CATALINA_BASE%\bin\tomcat-juli.jar;%CATALINA_HOME%\bin\bootstrap.jar"，而eclipse中调试tomcat是所有相关类都在classpath的，区别在于，第一种情况，双亲委派模型在上层找不到Catalina.class，则StandardClassLoader去lib下加载catalina.jar；而第二种情况，AppClassLoader直接能够找到Catalina.class，所以就由他加载了，StandardClassLoader就形同虚设了。所以我们不能单从现象去判断原因，这也是我们为什么要学习classloader加载原理的原因。

搞明白这点，其实就可以理解tomcat是如何使用自己的classloader加载类进来并且如何隔离server和shared类的加载了。

但是另一个问题，tomcat又是如何隔离不同的webapp的加载呢？

对于每个webapp应用，都会对应唯一的StandContext，在StandContext中会引用WebappLoader，该类又会引用WebappClassLoader，WebappClassLoader就是真正加载webapp的classloader。

StandContext隶属于Lifecycle管理，在start方法中会做一系列准备工作（有兴趣可以参考，实际上该方法比较重要，但是篇幅太长），比如新建WebappClassLoader，另外loadOnStartup便会加载所有配置好的servlet（每个StandardWrapper负责管理一个servlet），这里同样的一个问题是，在我们自己写的web应用程序中，入口是什么？答案就是Servlet, Listener, Filter这些组件，如果我们控制好入口的classloader，便等于控制了其后所加载的全部类，那么，tomcat是如何控制的呢？且看StandardWrapper中一个重要的方法loadServlet（篇幅所限，隐去了大部分不想关内容），getLoader()事实上调用到了StandContext中保存的WebappLoader，于是，用该loader加载Servlet，从而控制住了Servlet中所有待加载的类。

public synchronized Servlet loadServlet() throws ServletException {

...

Servlet servlet;
try {
...

// Acquire an instance of the class loader to be used
Loader loader = getLoader();
if (loader == null) {
unavailable(null);
throw new ServletException
(sm.getString("standardWrapper.missingLoader", getName()));
}

ClassLoader classLoader = loader.getClassLoader();

// Special case class loader for a container provided servlet
//
if (isContainerProvidedServlet(actualClass) &&
! ((Context)getParent()).getPrivileged() ) {
// If it is a priviledged context - using its own
// class loader will work, since it's a child of the container
// loader
classLoader = this.getClass().getClassLoader();
}

// Load the specified servlet class from the appropriate class loader
Class classClass = null;
try {
if (SecurityUtil.isPackageProtectionEnabled()){
...
} else {
if (classLoader != null) {
classClass = classLoader.loadClass(actualClass);
} else {
classClass = Class.forName(actualClass);
}
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
unavailable(null);
getServletContext().log( "Error loading " + classLoader + " " + actualClass, e );
throw new ServletException
(sm.getString("standardWrapper.missingClass", actualClass),
e);
}

if (classClass == null) {
unavailable(null);
throw new ServletException
(sm.getString("standardWrapper.missingClass", actualClass));
}

// Instantiate and initialize an instance of the servlet class itself
try {
servlet = (Servlet) classClass.newInstance();
// Annotation processing
if (!((Context) getParent()).getIgnoreAnnotations()) {
if (getParent() instanceof StandardContext) {
((StandardContext)getParent()).getAnnotationProcessor().processAnnotations(servlet);
((StandardContext)getParent()).getAnnotationProcessor().postConstruct(servlet);
}
}
} catch (ClassCastException e) {
...
} catch (Throwable e) {
...
}

...
return servlet;

}

这里的加载过程与之前的一致，至于如何做到不同webapp之间的隔离，我想大家已经明白，不同的StandardContext有不同的WebappClassLoader，那么不同的webapp的类装载器就是不一致的。装载器的不一致带来了名称空间不一致，所以webapp之间是相互隔离的。

关于tomcat是如何做到热部署的，相信不用说也能猜到个十之八九。简单讲就是定期检查是否需要热部署，如果需要，则将类装载器也重新装载，并且去重新装载其他相关类。关于tomcat是如何做的，可以具体看以下分析。

首先来看一个后台的定期检查，该定期检查是StandardContext的一个后台线程，会做reload的check，过期session清理等等，这里的modified实际上调用了WebappClassLoader中的方法以判断这个class是不是已经修改。注意到他调用了StandardContext的reload方法。

public void backgroundProcess() {
if (reloadable && modified()) {
try {
Thread.currentThread().setContextClassLoader
(WebappLoader.class.getClassLoader());
if (container instanceof StandardContext) {
((StandardContext) container).reload();
}
} finally {
if (container.getLoader() != null) {
Thread.currentThread().setContextClassLoader
(container.getLoader().getClassLoader());
}
}
} else {
closeJARs(false);
}
}

那么reload方法具体做了什么？非常简单，就是tomcat lifecycle中标准的启停方法stop和start，别忘了，start方法会重新造一个WebappClassLoader并且重复loadOnStartup的过程，从而重新加载了webapp中的类，注意到一般应用很大时，热部署通常会报outofmemory: permgen space not enough之类的，这是由于之前加载进来的class还没有清除而方法区内存又不够的原因

public synchronized void reload() {

// Validate our current component state
if (!started)
throw new IllegalStateException
(sm.getString("containerBase.notStarted", logName()));

// Make sure reloading is enabled
//      if (!reloadable)
//          throw new IllegalStateException
//              (sm.getString("standardContext.notReloadable"));
if(log.isInfoEnabled())
log.info(sm.getString("standardContext.reloadingStarted",
getName()));

// Stop accepting requests temporarily
setPaused(true);

try {
stop();
} catch (LifecycleException e) {
log.error(sm.getString("standardContext.stoppingContext",
getName()), e);
}

try {
start();
} catch (LifecycleException e) {
log.error(sm.getString("standardContext.startingContext",
getName()), e);
}

setPaused(false);

}

参考资料：http://blog.csdn.net/aesop_wubo/article/details/7582266
http://my.oschina.net/321tiantian/blog/69399 http://developer.51cto.com/art/201003/185704.htm
http://blog.csdn.net/yangwen0406/article/details/8545893

/article/1454934.html

http://blog.chenlb.com/2009/06/java-classloader-architecture.html