Tomcat Catalina为什么不new出来原理解析

一、Catalina为什么不new出来?

掌握了Java的类加载器和双亲委派机制，现在我们就可以回答正题上来了，Tomcat的类加载器是怎么设计的？

1.Web容器的特性

Web容器有其自身的特殊性，所以在类加载器这块是不能完全使用JVM的类加载器的双亲委派机制的。在Web容器中我们应该要满足如下的特性：

隔离性：

部署在同一个Web容器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以实现相互隔离。设想一下，两个Web应用，一个使用了Spring3.0，另一个使用了新的的5.0，应用服务器使用一个类加载器，Web应用将会因为jar包覆盖而无法启动。

灵活性:

Web应用之间的类加载器相互独立，那么就能针对一个Web应用进行重新部署，此时Web应用的类加载器会被重建，而且不会影响其他的Web应用。如果采用一个类加载器，类之间的依赖是杂乱复杂的，无法完全移出某个应用的类。

性能:

性能也是一个比较重要的点。部署在同一个Web容器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以互相共享。这个需求也很常见，例如，用户可能有10个使用Spring框架的应用程序部署在同一台服务器上，如果把10份Spring分别存放在各个应用程序的隔离目录中，将会是很大的资源浪费——这主要倒不是浪费磁盘空间的问题，而是指类库在使用时都要被加载到Web容器的内存，如果类库不能共享，虚拟机的方法区就会很容易出现过度膨胀的风险。

2.Tomcat类加载器结构

明白了Web容器的类加载器有多个，再来看tomcat的类加载器结构。

首先上张图，整体看下tomcat的类加载器：

可以看到在原先的java类加载器基础上，tomcat新增了几个类加载器，包括3个基础类加载器和每个Web应用的类加载器，其中3个基础类加载器可在conf/catalina.properties中配置，具体介绍下：

Common：

以应用类加载器为父类，是tomcat顶层的公用类加载器，其路径由conf/catalina.properties中的common.loader指定，默认指向${catalina.base}/lib下的包。

Catalina：

以Common类加载器为父类，是用于加载Tomcat应用服务器的类加载器，其路径由server.loader指定，默认为空，此时tomcat使用Common类加载器加载应用服务器。

Shared：

以Common类加载器为父类，是所有Web应用的父类加载器，其路径由shared.loader指定，默认为空，此时tomcat使用Common类加载器作为Web应用的父加载器。

Web应用：

以Shared类加载器为父类，加载/WEB-INF/classes目录下的未压缩的Class和资源文件以及/WEB-INF/lib目录下的jar包，该类加载器只对当前Web应用可见，对其他Web应用均不可见。

默认情况下，Common、Catalina、Shared类加载器是同一个，但可以配置3个不同的类加载器，使他们各司其职。

首先，Common类加载器复杂加载Tomcat应用服务器内部和Web应用均可见的类，如Servlet规范相关包和一些通用工具包。

其次，Catalina类加载器负责只有Tomcat应用服务器内部可见的类，这些类对Web应用不可见。比如，想实现自己的会话存储方案，而且该方案依赖了一些第三方包，当然是不希望这些包对Web应用可见，这时可以配置server.load，创建独立的Catalina类加载器。

再次，Shared类复杂加载Web应用共享类，这些类tomcat服务器不会依赖

3.Tomcat源码分析

3.1 CatalinClassLoader

首先来看看Tomcat的类加载器的继承结构

可以看到继承的结构和我们上面所写的类加载器的结构不同。

大家需要注意双亲委派机制并不是通过继承来实现的，而是相互之间组合而形成的。

所以AppClassLoader没有继承自 ExtClassLoader，WebappClassLoader也没有继承自AppClassLoader。

至于Common ClassLoader ，Shared ClassLoader，Catalina ClassLoader则是在启动时初始化的三个不同名字的URLClassLoader。

先来看看Bootstrap#init()方法。init方法会调用initClassLoaders，同样也会将Catalina ClassLoader设置到当前线程设置到当前线程，进入initClassLoaders来看看。

    private void initClassLoaders() {
        try {
            // 创建 commonLoader  catalinaLoader sharedLoader
            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();
            }
            // 默认情况下 server.loader 和 shared.loader 都为空则会返回 commonLoader 类加载器
            catalinaLoader = createClassLoader("server", commonLoader);
            sharedLoader = createClassLoader("shared", commonLoader);
        } catch (Throwable t) {
            handleThrowable(t);
            log.error("Class loader creation threw exception", t);
            System.exit(1);
        }
    }

我们可以看到在initClassLoaders()方法中完成了CommonClassLoader， CatalinaClassLoader，和SharedClassLoader的创建，而且进入到createClassLoader方法中。

可以看到这三个基础类加载器所加载的资源刚好对应conf/catalina.properties中的common.loader，server.loader，shared.loader

3.2 层次结构

Common/Catalina/Shared ClassLoader的创建好了之后就会维护相互之间的组合关系

其实也就是设置了父加载器

3.3 具体的加载过程

源码比较长，直接进入到 WebappClassLoaderBase中的 LoadClass方法

@Override
    public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            if (log.isDebugEnabled()) {
                log.debug("loadClass(" + name + ", " + resolve + ")");
            }
            Class<?> clazz = null;
            // Log access to stopped class loader
            checkStateForClassLoading(name);
            // (0) Check our previously loaded local class cache
            // 检查WebappClassLoader中是否加载过此类
            clazz = findLoadedClass0(name);
            if (clazz != null) {
                if (log.isDebugEnabled()) {
                    log.debug("  Returning class from cache");
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(clazz);
                }
                return clazz;
            }
            // (0.1) Check our previously loaded class cache
            // 如果第一步没有找到，则继续检查JVM虚拟机中是否加载过该类
            clazz = findLoadedClass(name);
            if (clazz != null) {
                if (log.isDebugEnabled()) {
                    log.debug("  Returning class from cache");
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(clazz);
                }
                return clazz;
            }
            // (0.2) Try loading the class with the bootstrap class loader, to prevent
            //       the webapp from overriding Java SE classes. This implements
            //       SRV.10.7.2
            // 如果前两步都没有找到，则使用系统类加载该类（也就是当前JVM的ClassPath）。
            // 为了防止覆盖基础类实现，这里会判断class是不是JVMSE中的基础类库中类。
            String resourceName = binaryNameToPath(name, false);
            ClassLoader javaseLoader = getJavaseClassLoader();
            boolean tryLoadingFromJavaseLoader;
            try {
                // Use getResource as it won't trigger an expensive
                // ClassNotFoundException if the resource is not available from
                // the Java SE class loader. However (see
                // https://bz.apache.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=58125 for
                // details) when running under a security manager in rare cases
                // this call may trigger a ClassCircularityError.
                // See https://bz.apache.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=61424 for
                // details of how this may trigger a StackOverflowError
                // Given these reported errors, catch Throwable to ensure any
                // other edge cases are also caught
                URL url;
                if (securityManager != null) {
                    PrivilegedAction<URL> dp = new PrivilegedJavaseGetResource(resourceName);
                    url = AccessController.doPrivileged(dp);
                } else {
                    url = javaseLoader.getResource(resourceName);
                }
                tryLoadingFromJavaseLoader = (url != null);
            } catch (Throwable t) {
                // Swallow all exceptions apart from those that must be re-thrown
                ExceptionUtils.handleThrowable(t);
                // The getResource() trick won't work for this class. We have to
                // try loading it directly and accept that we might get a
                // ClassNotFoundException.
                tryLoadingFromJavaseLoader = true;
            }
            if (tryLoadingFromJavaseLoader) {
                try {
                    clazz = javaseLoader.loadClass(name);
                    if (clazz != null) {
                        if (resolve) {
                            resolveClass(clazz);
                        }
                        return clazz;
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // Ignore
                }
            }
            // (0.5) Permission to access this class when using a SecurityManager
            if (securityManager != null) {
                int i = name.lastIndexOf('.');
                if (i >= 0) {
                    try {
                        securityManager.checkPackageAccess(name.substring(0,i));
                    } catch (SecurityException se) {
                        String error = sm.getString("webappClassLoader.restrictedPackage", name);
                        log.info(error, se);
                        throw new ClassNotFoundException(error, se);
                    }
                }
            }
            // 检查是否 设置了delegate属性，设置为true，那么就会完全按照JVM的"双亲委托"机制流程加载类。
            boolean delegateLoad = delegate || filter(name, true);
            // (1) Delegate to our parent if requested
            if (delegateLoad) {
                if (log.isDebugEnabled()) {
                    log.debug("  Delegating to parent classloader1 " + parent);
                }
                try {
                    clazz = Class.forName(name, false, parent);
                    if (clazz != null) {
                        if (log.isDebugEnabled()) {
                            log.debug("  Loading class from parent");
                        }
                        if (resolve) {
                            resolveClass(clazz);
                        }
                        return clazz;
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // Ignore
                }
            }
            // (2) Search local repositories
            // 若是没有委托，则默认会首次使用WebappClassLoader来加载类。通过自定义findClass定义处理类加载规则。
            // findClass()会去Web-INF/classes 目录下查找类。
            if (log.isDebugEnabled()) {
                log.debug("  Searching local repositories");
            }
            try {
                clazz = findClass(name);
                if (clazz != null) {
                    if (log.isDebugEnabled()) {
                        log.debug("  Loading class from local repository");
                    }
                    if (resolve) {
                        resolveClass(clazz);
                    }
                    return clazz;
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // Ignore
            }
            // (3) Delegate to parent unconditionally
            // 若是WebappClassLoader在/WEB-INF/classes、/WEB-INF/lib下还是查找不到class，
            // 那么无条件强制委托给System、Common类加载器去查找该类。
            if (!delegateLoad) {
                if (log.isDebugEnabled()) {
                    log.debug("  Delegating to parent classloader at end: " + parent);
                }
                try {
                    clazz = Class.forName(name, false, parent);
                    if (clazz != null) {
                        if (log.isDebugEnabled()) {
                            log.debug("  Loading class from parent");
                        }
                        if (resolve) {
                            resolveClass(clazz);
                        }
                        return clazz;
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // Ignore
                }
            }
        }
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

Web应用类加载器默认的加载顺序是：

• (1).先从缓存中加载；
• (2).如果没有，则从JVM的Bootstrap类加载器加载；
• (3).如果没有，则从当前类加载器加载（按照WEB-INF/classes、WEB-INF/lib的顺序）；
• (4).如果没有，则从父类加载器加载，由于父类加载器采用默认的委派模式，所以加载顺序是AppClassLoader、Common、Shared。

tomcat提供了delegate属性用于控制是否启用java委派模式，默认false（不启用），当设置为true时，tomcat将使用java的默认委派模式，这时加载顺序如下：

• (1).先从缓存中加载；
• (2).如果没有，则从JVM的Bootstrap类加载器加载；
• (3).如果没有，则从父类加载器加载，加载顺序是AppClassLoader、Common、Shared。
• (4).如果没有，则从当前类加载器加载（按照WEB-INF/classes、WEB-INF/lib的顺序）

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