一、Catalina為什么不new出來?
掌握了Java的類加載器和雙親委派機制，現在我們就可以回答正題上來了，Tomcat的類加載器是怎么設計的？
1.Web容器的特性
Web容器有其自身的特殊性，所以在類加載器這塊是不能完全使用JVM的類加載器的雙親委派機制的。在Web容器中我們應該要滿足如下的特性：
隔離性：
部署在同一個Web容器上的兩個Web應用程序所使用的Java類庫可以實現相互隔離。設想一下，兩個Web應用，一個使用了Spring3.0，另一個使用了新的的5.0，應用服務器使用一個類加載器，Web應用將會因為jar包覆蓋而無法啟動。
靈活性:
Web應用之間的類加載器相互獨立，那么就能針對一個Web應用進行重新部署，此時Web應用的類加載器會被重建，而且不會影響其他的Web應用。如果采用一個類加載器，類之間的依賴是雜亂復雜的，無法完全移出某個應用的類。
性能:
性能也是一個比較重要的點。部署在同一個Web容器上的兩個Web應用程序所使用的Java類庫可以互相共享。這個需求也很常見，例如，用戶可能有10個使用Spring框架的應用程序部署在同一臺服務器上，如果把10份Spring分別存放在各個應用程序的隔離目錄中，將會是很大的資源浪費——這主要倒不是浪費磁盤空間的問題，而是指類庫在使用時都要被加載到Web容器的內存，如果類庫不能共享，虛擬機的方法區就會很容易出現過度膨脹的風險。
2.Tomcat類加載器結構
明白了Web容器的類加載器有多個，再來看tomcat的類加載器結構。
首先上張圖，整體看下tomcat的類加載器：
可以看到在原先的java類加載器基礎上，tomcat新增了幾個類加載器，包括3個基礎類加載器和每個Web應用的類加載器，其中3個基礎類加載器可在conf/catalina.properties中配置，具體介紹下：
Common：
以應用類加載器為父類，是tomcat頂層的公用類加載器，其路徑由conf/catalina.properties中的common.loader指定，默認指向${catalina.base}/lib下的包。
Catalina：
以Common類加載器為父類，是用于加載Tomcat應用服務器的類加載器，其路徑由server.loader指定，默認為空，此時tomcat使用Common類加載器加載應用服務器。
Shared：
以Common類加載器為父類，是所有Web應用的父類加載器，其路徑由shared.loader指定，默認為空，此時tomcat使用Common類加載器作為Web應用的父加載器。
Web應用：
以Shared類加載器為父類，加載/WEB-INF/classes目錄下的未壓縮的Class和資源文件以及/WEB-INF/lib目錄下的jar包，該類加載器只對當前Web應用可見，對其他Web應用均不可見。
默認情況下，Common、Catalina、Shared類加載器是同一個，但可以配置3個不同的類加載器，使他們各司其職。
首先，Common類加載器復雜加載Tomcat應用服務器內部和Web應用均可見的類，如Servlet規范相關包和一些通用工具包。
其次，Catalina類加載器負責只有Tomcat應用服務器內部可見的類，這些類對Web應用不可見。比如，想實現自己的會話存儲方案，而且該方案依賴了一些第三方包，當然是不希望這些包對Web應用可見，這時可以配置server.load，創建獨立的Catalina類加載器。
再次，Shared類復雜加載Web應用共享類，這些類tomcat服務器不會依賴
3.Tomcat源碼分析
3.1 CatalinClassLoader
首先來看看Tomcat的類加載器的繼承結構
可以看到繼承的結構和我們上面所寫的類加載器的結構不同。
大家需要注意雙親委派機制并不是通過繼承來實現的，而是相互之間組合而形成的。
所以AppClassLoader沒有繼承自 ExtClassLoader，WebappClassLoader也沒有繼承自AppClassLoader。
至于Common ClassLoader ，Shared ClassLoader，Catalina ClassLoader則是在啟動時初始化的三個不同名字的URLClassLoader。
先來看看Bootstrap#init()方法。init方法會調用initClassLoaders，同樣也會將Catalina ClassLoader設置到當前線程設置到當前線程，進入initClassLoaders來看看。
private void initClassLoaders() {
try {
// 創建 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();
}
// 默認情況下 server.loader 和 shared.loader 都為空則會返回 commonLoader 類加載器
catalinaLoader = createClassLoader("server", commonLoader);
sharedLoader = createClassLoader("shared", commonLoader);
} catch (Throwable t) {
handleThrowable(t);
log.error("Class loader creation threw exception", t);
System.exit(1);
}
}
我們可以看到在initClassLoaders()方法中完成了CommonClassLoader， CatalinaClassLoader，和SharedClassLoader的創建，而且進入到createClassLoader方法中。
可以看到這三個基礎類加載器所加載的資源剛好對應conf/catalina.properties中的common.loader，server.loader，shared.loader
3.2 層次結構
Common/Catalina/Shared ClassLoader的創建好了之后就會維護相互之間的組合關系
其實也就是設置了父加載器
3.3 具體的加載過程
源碼比較長，直接進入到 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
// 檢查WebappClassLoader中是否加載過此類
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
// 如果第一步沒有找到，則繼續檢查JVM虛擬機中是否加載過該類
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
// 如果前兩步都沒有找到，則使用系統類加載該類（也就是當前JVM的ClassPath）。
// 為了防止覆蓋基礎類實現，這里會判斷class是不是JVMSE中的基礎類庫中類。
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);
}
}
}
// 檢查是否 設置了delegate屬性，設置為true，那么就會完全按照JVM的"雙親委托"機制流程加載類。
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
// 若是沒有委托，則默認會首次使用WebappClassLoader來加載類。通過自定義findClass定義處理類加載規則。
// findClass()會去Web-INF/classes 目錄下查找類。
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下還是查找不到class，
// 那么無條件強制委托給System、Common類加載器去查找該類。
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應用類加載器默認的加載順序是：
- (1).先從緩存中加載；
- (2).如果沒有，則從JVM的Bootstrap類加載器加載；
- (3).如果沒有，則從當前類加載器加載（按照WEB-INF/classes、WEB-INF/lib的順序）；
- (4).如果沒有，則從父類加載器加載，由于父類加載器采用默認的委派模式，所以加載順序是AppClassLoader、Common、Shared。
tomcat提供了delegate屬性用于控制是否啟用java委派模式，默認false（不啟用），當設置為true時，tomcat將使用java的默認委派模式，這時加載順序如下：
- (1).先從緩存中加載；
- (2).如果沒有，則從JVM的Bootstrap類加載器加載；
- (3).如果沒有，則從父類加載器加載，加載順序是AppClassLoader、Common、Shared。
- (4).如果沒有，則從當前類加載器加載（按照WEB-INF/classes、WEB-INF/lib的順序）
以上就是Tomcat Catalina為什么不new出來原理解析的詳細內容，更多關于Tomcat Catalina原理的資料請關注其它相關文章！
