从源码级深入剖析Tomcat类加载原理

众所周知，Java中默认的类加载器是以父子关系存在的，实现了双亲委派机制进行类的加载，在前文中，我们提到了，双亲委派机制的设计是为了保证类的唯一性，这意味着在同一个JVM中是不能加载相同类库的不同版本的类。
然而与许多服务器应用程序一样，Tomcat 允许容器的不同部分以及在容器上运行的不同Web应用程序可以访问的各种不同版本的类库，这就要求Tomcat必须打破这种双亲委派机制，通过实现自定义的类加载器（即实现了java.lang.ClassLoader）进行类的加载。下面，就让我们来看看Tomcat类加载原理是怎样的。

Tomcat中有两个最重要的类加载器，第一个便是负责Web应用程序类加载的WebappClassLoader，另一个便是JSP Servlet类加载器`JasperLoader。

Web应用程序类加载器（WebappClassLoader）

上代码：

public class WebappClassLoader extends WebappClassLoaderBase {
    public WebappClassLoader() {
        super();
    }
    public WebappClassLoader(ClassLoader parent) {
        super(parent);
    }
   ...
}

我们来看看WebappClassLoader继承的WebappClassLoaderBase中实现的类加载方法loadClass

public abstract class WebappClassLoaderBase extends URLClassLoader
        implements Lifecycle, InstrumentableClassLoader, WebappProperties, PermissionCheck {
	...	省略不需要关注的代码
    protected WebappClassLoaderBase() {

        super(new URL[0]);
		// 获取当前WebappClassLoader的父加载器系统类加载器
        ClassLoader p = getParent();
        if (p == null) {
            p = getSystemClassLoader();
        }
        this.parent = p;
		// javaseClassLoader变量经过以下代码的执行，
		// 得到的是扩展类加载器（ExtClassLoader）
        ClassLoader j = String.class.getClassLoader();
        if (j == null) {
            j = getSystemClassLoader();
            while (j.getParent() != null) {
                j = j.getParent();
            }
        }
        this.javaseClassLoader = j;

        securityManager = System.getSecurityManager();
        if (securityManager != null) {
            refreshPolicy();
        }
    }

    ...省略不需要关注的代码
    @Override
    public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {

        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            if (log.isDebugEnabled()) {
                log.debug("loadClass(" + name + ", " + resolve + ")");
            }
            Class<?> clazz = null;

            // Web应用程序停止状态时，不允许加载新的类
            checkStateForClassLoading(name);

            // 如果之前加载过该类，就可以从Web应用程序类加载器本地类缓存中查找，
			// 如果找到说明WebappClassLoader之前已经加载过这个类
            clazz = findLoadedClass0(name);
            if (clazz != null) {
                if (log.isDebugEnabled()) {
                    log.debug("  Returning class from cache");
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(clazz);
                }
                return clazz;
            }

            // Web应用程序本地类缓存中没有，可以从系统类加载器缓存中查找，
			// 如果找到说明AppClassLoader之前已经加载过这个类
            clazz = findLoadedClass(name);
            if (clazz != null) {
                if (log.isDebugEnabled()) {
                    log.debug("  Returning class from cache");
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(clazz);
                }
                return clazz;
            }

			// 将类似java.lang.String这样的类名这样转换成java/lang/String
			// 这样的资源文件名
            String resourceName = binaryNameToPath(name, false);
			// 获取引导类加载器（BootstrapClassLoader）
            ClassLoader javaseLoader = getJavaseClassLoader();
            boolean tryLoadingFromJavaseLoader;
            try {
		    // 引导类加载器根据转换后的类名获取资源url，如果url不为空，就说明找到要加载的类
                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) {
                ExceptionUtils.handleThrowable(t);
                tryLoadingFromJavaseLoader = true;
            }

           // 首先，从扩展类加载器（ExtClassLoader）加载，防止Java核心API库被Web应用程序类随意篡改
           if (tryLoadingFromJavaseLoader) {
                try {
                    clazz = javaseLoader.loadClass(name);
                    if (clazz != null) {
                        if (resolve) {
                            resolveClass(clazz);
                        }
                        return clazz;
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // Ignore
                }
            }

            // 当使用安全管理器时，允许访问这个类
            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);
                    }
                }
            }
            /*
             *  如果Web应用程序类加载器配置为，<Loader delegate="true"/> 或者满足下列条件的类：
             *  当前类属于以下这些jar包中：
             *  annotations-api.jar — Common Annotations 1.2 类。
             *  catalina.jar — Tomcat 的 Catalina servlet 容器部分的实现。
             *  catalina-ant.jar — 可选。用于使用 Manager Web 应用程序的 Tomcat Catalina Ant 任务。
             *  catalina-ha.jar — 可选。提供基于 Tribes 构建的会话集群功能的高可用性包。
             *  catalina-storeconfig.jar — 可选。从当前状态生成 XML 配置文件。
             *  catalina-tribes.jar — 可选。高可用性包使用的组通信包。
             *  ecj-*.jar — 可选。Eclipse JDT Java 编译器用于将 JSP 编译为 Servlet。
             *  el-api.jar — 可选。EL 3.0 API。
             *  jasper.jar — 可选。Tomcat Jasper JSP 编译器和运行时。
             *  jasper-el.jar — 可选。Tomcat EL 实现。
             *  jaspic-api.jar — JASPIC 1.1 API。
             *  jsp-api.jar — 可选。JSP 2.3 API。
             *  servlet-api.jar — Java Servlet 3.1 API。
             *  tomcat-api.jar — Tomcat 定义的几个接口。
             *  tomcat-coyote.jar — Tomcat 连接器和实用程序类。
             *  tomcat-dbcp.jar — 可选。基于 Apache Commons Pool 2 和 Apache Commons DBCP 2 的
             *      包重命名副本的数据库连接池实现。
             *  tomcat-i18n-**.jar — 包含其他语言资源包的可选 JAR。由于默认包也包含在每个单独的JAR
             *      中，如果不需要消息国际化，可以安全地删除它们。
             *  tomcat-jdbc.jar — 可选。另一种数据库连接池实现，称为 Tomcat JDBC 池。有关详细信息，请参阅 文档。
             *  tomcat-jni.jar — 提供与 Tomcat Native 库的集成。
             *  tomcat-util.jar — Apache Tomcat 的各种组件使用的通用类。
             *  tomcat-util-scan.jar — 提供 Tomcat 使用的类扫描功能。
             *  tomcat-websocket.jar — 可选。Java WebSocket 1.1 实现
             *  websocket-api.jar — 可选。Java WebSocket 1.1 API
             *
             *  此处的filter方法，实际上tomcat官方将filter类加载过滤条件，看作是一种类加载器，
	     *        将其取名为CommonClassLoader
             */
            boolean delegateLoad = delegate || filter(name, true);

            // 如果ExtClassLoader没有获取到，说明是非JRE核心类，那么就从系统类加载器（也称AppClassLoader
			// 应用程序类加载器）加载
            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
                }
            }

            // 从Web应用程序的类加载器（也就是WebappClassLoader)中加载类。Web应用程序的类加载器是
			// 一个特殊的类加载器，它负责从Web应用程序的本地库中加载类
            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
            }

            // 经过上面几个步骤还未加载到类，则采用系统类加载器（也称应用程序类加载器）进行加载
            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
                }
            }
        }
        // 最终，还未加载到类，报类未找到的异常
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
	...省略不需要关注的代码
}

综上所述，我们得出WebappClassLoader类加载器打破了双亲委派机制，自定义类加载类的顺序：

1. 扩展类加载器（ExtClassLoader）加载
2. Web应用程序类加载器（WebappClassLoader）
3. 系统类加载器类（AppClassLoader）
4. 公共类加载器类（CommonClassLoader）

如果Web应用程序类加载器配置为，，也就是WebappClassLoaderBase类的变量delegate=true时，则类加载顺序变为：

1. 扩展类加载器（ExtClassLoader）加载
2. 系统类加载器类（AppClassLoader）
3. 公共类加载器类（CommonClassLoader）
4. Web应用程序类加载器（WebappClassLoader）

JSP类加载器（JasperLoader）

上代码：

public class JasperLoader extends URLClassLoader {

    private final PermissionCollection permissionCollection;
    private final SecurityManager securityManager;

    // JSP类加载器的父加载器是Web应用程序类加载器（WebappClassLoader）
    public JasperLoader(URL[] urls, ClassLoader parent,
                        PermissionCollection permissionCollection) {
        super(urls, parent);
        this.permissionCollection = permissionCollection;
        this.securityManager = System.getSecurityManager();
    }

    @Override
    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }

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

        Class<?> clazz = null;

        // 从JVM的类缓存中查找
        clazz = findLoadedClass(name);
        if (clazz != null) {
            if (resolve) {
                resolveClass(clazz);
            }
            return clazz;
        }

        // 当使用SecurityManager安全管理器时，允许访问访类
        if (securityManager != null) {
            int dot = name.lastIndexOf('.');
            if (dot >= 0) {
                try {
                    // Do not call the security manager since by default, we grant that package.
                    if (!"org.apache.jasper.runtime".equalsIgnoreCase(name.substring(0,dot))){
                        securityManager.checkPackageAccess(name.substring(0,dot));
                    }
                } catch (SecurityException se) {
                    String error = "Security Violation, attempt to use " +
                        "Restricted Class: " + name;
                    se.printStackTrace();
                    throw new ClassNotFoundException(error);
                }
            }
        }
       // 如果类名不是以org.apache.jsp包名开头的，则采用WebappClassLoader加载
        if( !name.startsWith(Constants.JSP_PACKAGE_NAME + '.') ) {
            // Class is not in org.apache.jsp, therefore, have our
            // parent load it
            clazz = getParent().loadClass(name);
            if( resolve ) {
                resolveClass(clazz);
            }
            return clazz;
        }
	// 如果是org.apache.jsp包名开头JSP类，就调用父类URLClassLoader的findClass方法
	// 动态加载类文件，解析成Class类，返回给调用方
        return findClass(name);
    }
}

下面是URLClassLoader的findClass方法，具体实现：

protected Class<?> findClass(final String name)
        throws ClassNotFoundException
    {
        final Class<?> result;
        try {
            result = AccessController.doPrivileged(
                new PrivilegedExceptionAction<Class<?>>() {
                    public Class<?> run() throws ClassNotFoundException {
                        String path = name.replace('.', '/').concat(".class");
                        Resource res = ucp.getResource(path, false);
                        if (res != null) {
                            try {
 				// 解析类的字节码文件生成Class类对象
                                return defineClass(name, res);
                            } catch (IOException e) {
                                throw new ClassNotFoundException(name, e);
                            }
                        } else {
                            return null;
                        }
                    }
                }, acc);
        } catch (java.security.PrivilegedActionException pae) {
            throw (ClassNotFoundException) pae.getException();
        }
        if (result == null) {
            throw new ClassNotFoundException(name);
        }
        return result;
    }

从源码中我们可以看到，JSP类加载原理是，先从JVM类缓存中（也就是Bootstrap类加载器加载的类）加载，如果不是核心类库的类，就从Web应用程序类加载器WebappClassLoader中加载，如果还未找到，就说明是jsp类，则通过动态解析jsp类文件获得要加载的类。

经过上面两个Tomcat核心类加载器的剖析，我们也就知道了Tomcat类的加载原理了。
下面我们来总结一下：Tomcat会为每个Web应用程序创建一个WebappClassLoader类加载器进行类的加载，不同的类加载器实例加载的类是会被认为是不同的类，即使它们的类名相同，这样的话就可以实现在同一个JVM下，允许Tomcat容器的不同部分以及在容器上运行的不同Web应用程序可以访问的各种不同版本的类库。
针对JSP类，会由专门的JSP类加载器（JasperLoader）进行加载，该加载器会针对JSP类在每次加载时都会解析类文件，Tomcat容器会启动一个后台线程，定时检测JSP类文件的变化，及时更新类文件，这样就实现JSP文件的热加载功能。