Tomcat类加载机制分析

JDK的类加载机制是双亲委派：先委托给他的parent类加载器，让parent类加载器先来加载，如果没有，才再在自己的路径上加载。

但是Tomcat的类加载机制与此不同。

Tomcat在初始化时，会创建以下4种类加载器（Tomcat 8.5）。

       Bootstrap           
          |
       System              
          |
       Common          
       /     \
  Webapp1   Webapp2 ...

Bootstrap：负责加载JVM提供的基础的运行时类（即rt.jar）以及${JAVA\_HOME}/jre/lib/ext下的类（相当于JDK本身的Bootstrap和Extension这两个类加载器的功能）。
System：该类加载器通常会加载环境变量CLASSPATH中的类，但是Tomcat并不是如此，它会忽略CLASSPATH，而去加载$CATALINA_HOME/bin目录下的3个jar（启动脚本中写死的）：
- bootstrap.jar
- tomcat-juli.jar（如果$CATALINA_BASE/bin目录下也有这个包，会使用$CATALINA_BASE/bin目录下的）
- commons-daemon.jar
Common ：该类加载器加载的类，对Tomcat自身和所有Web应用都可见。通常情况下，应用的类文件不应该放在Common ClassLoader中。Common会扫描 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties中common.loader属性指定的路径中的类文件。默认情况下，它会按顺序去下列路径中去加载：
- $CATALINA_BASE/lib中未打包的classes和resources
- $CATALINA_BASE/lib中的jar文件
- $CATALINA_HOME/lib中未打包的classes和resources
- $CATALINA_HOME/lib中的jar文件

默认情况下，这些路径下的jar主要有以下这些：
annotations-api.jar — JavaEE annotations classes.
catalina.jar — Implementation of the Catalina servlet container portion of Tomcat.
catalina-ant.jar — Tomcat Catalina Ant tasks.
catalina-ha.jar — High availability package.
catalina-storeconfig.jar — Generation of XML configuration files from current state
catalina-tribes.jar — Group communication package.
ecj-*.jar — Eclipse JDT Java compiler.
el-api.jar — EL 3.0 API.
jasper.jar — Tomcat Jasper JSP Compiler and Runtime.
jasper-el.jar — Tomcat Jasper EL implementation.
jsp-api.jar — JSP 2.3 API.
servlet-api.jar — Servlet 3.1 API.
tomcat-api.jar — Several interfaces defined by Tomcat.
tomcat-coyote.jar — Tomcat connectors and utility classes.
tomcat-dbcp.jar — Database connection pool implementation based on package-renamed copy of Apache Commons Pool and Apache Commons DBCP.
tomcat-i18n-**.jar — Optional JARs containing resource bundles for other languages. As default bundles are also included in each individual JAR, they can be safely removed if no internationalization of messages is needed.
tomcat-jdbc.jar — An alternative database connection pool implementation, known as Tomcat JDBC pool. See documentation for more details.
tomcat-util.jar — Common classes used by various components of Apache Tomcat.
tomcat-websocket.jar — WebSocket 1.1 implementation
websocket-api.jar — WebSocket 1.1 API

WebappX 每一个部署在Tomcat中的web应用，Tomcat都会为其创建一个WebappClassloader，它会去加载应用WEB-INF/classes目录下所有未打包的classes和resources，然后再去加载WEB-INF/lib目录下的所有jar文件。每个应用的WebappClassloader都不同，因此，它加载的类只对本应用可见，其他应用不可见（这是实现web应用隔离的关键）。

正如上面提到的，WebappClassloader的行为与Java默认的双亲委派模型是有所区别的。当WebappClassloader收到加载类的请求时，它首先在自己的路径（repository）中去寻找类的class文件（而不是委托给父类去加载）。但是有例外：JRE中的类库是不允许重写的！

从应用的视角来看，当有类加载的请求时，class或者resource的查找顺序是这样的：

1. JVM中的类库，如rt.jar和$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的jar

2. 应用的/WEB-INF/classes目录

3. 应用的/WEB-INF/lib/*.jar

4. SystemClassloader加载的类（如上所述）

5. CommonClassloader加载的类（如上所述）

但是，如果你的应用配置了<loader delegate="true"/>，那么查找顺序就会变为：

1. JVM中的类库，如rt.jar和$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的jar

2. SystemClassloader加载的类（如上所述）

3. CommonClassloader加载的类（如上所述）

4. 应用的/WEB-INF/classes目录

5. 应用的/WEB-INF/lib/*.jar

QA

Q：默认配置下，在项目中如果在一个Tomcat内部署多个应用，甚至多个应用内使用了某个类似的几个不同版本，但它们之间却互不影响。这是如何做到的？

A：多个应用之间的相同类库，由于使用不同的类加载器进行加载，它们仍然是不同的对象。对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器的前提下才有意义，否则即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。这里所指的相等，包括代表类的Class类的对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。

Q：如果多个应用都用到了某类似的相同版本，是否可以统一提供，不在各个应用内分别提供，占用内存？

A：可以，可以将这些公共的类库放在Common类加载器的扫描范围，具体做法是在$CATALINA_BASE/conf/catalina.properties中common.loader属性中追加你自己的应用共用的jar。common.loader默认值为：
common.loader="${catalina.base}/lib",
"${catalina.base}/lib/*.jar",
"${catalina.home}/lib",
"${catalina.home}/lib/*.jar"

Q：在开发Web应用时，在pom.xml中添加了servlet-api的依赖，那实际应用的class加载时，会加载应用本身引入的servlet-api这个jar吗？

A：不会。对于我们应用内提供的Servlet-api，应用服务器是不会加载的，因为容器已经自已加载过了。这里不是因为父优先还是子优先的问题，而是这类内容，是不允许被重写的。如果你应用内有一个叫javax.servlet.Servlet的class，那加载后可能就影响了应用内的正常运行了。

Q：假如有一个jar包（非Java规范或Servlet规范的实现包，只是普通的其他第三方包），这个jar文件在$CATALINA_HOME/bin（或者在$CATALINA_HOME/lib）目录、应用本身的/WEB-INF/lib目录下都各有一份，那么最终应用中使用的是哪个jar？

A：分为两种情况讨论
1.Jar在$CATALINA_HOME/bin和WEB-INF/lib下这种情况下，总是以应用中的jar为准：因为自己放在$CATALINA_HOME/bin下的jar根本不会被加载，SystemClassloader只会加载$CATALINE_HOME/bin下的自带的3个jar（上面提高的那三个），这是在Tomcat中的启动脚本中catalina.sh写死的，其他放在该目录的jar，不会被加载。
2.Jar在$CATALINA_HOME/lib和WEB-INF/lib下这种情况下，又有两种情形：①默认情形(<loader delegate="false">)，按照Tomcat的类加载机制，WebappClassloader加载，而WebappClassLoader首先在自己的路径范围（即/WEB-INF/lib目录）查找，发现自己的路径内含有要加载的类的class文件，就会将其load到JVM中，结束这次类加载；②修改了Tomcat默认的类加载机制，即配置了<loader delegate=true>，那么WebappClassloader在收到加载jar内某各类的加载请求时，会直接将类加载请求委托给父类CommonClassloader，CommonClassloader就会去自己的路径范围去查找对应class文件，完成加载。
验证思路：
①写一个类Dog，打包，将其放在$CATALINA_HOME/bin或者$CATALINA_HOME/lib下
public class Dog{
public Dog(){
   System.out.println("a dog born in tomcat internal");
}
}
②将Dog类该写为，打包，新增webapp项目，将jar放在该webapp项目的/WEB-INF/lib目录下
public class Dog{
public Dog(){
   System.out.println("a dog born in webapp");
}
}
③使该项目在该Tomcat下运行，观察输出内容。
④修改$CATALINA_HOME/conf/Context.xml，添加内容<Loader delegate="true"/>，再次运行项目，观察输出内容

TODO：这种类加载机制的实现细节。比如，当java.util.ArralyList的加载时的流程走向的实现细节。

参考

Tomcat-8.5-官方文档：Class Loader HOW-TO

Tomcat类加载器及应用间class隔离与共享

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