简聊Tomcat的类加载器架构

主流的Java Web服务器(也就是Web容器),如Tomcat、Jetty、WebLogic、WebSphere或其他笔者没有列举的服务器,都实现了自己定义的类加载器(一般都不止一个)。因为一个功能健全的Web容器,要解决如下几个问题:

  1)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。这是最基本的需求,两个不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本,不能要求一个类库在一个服务器中只有一份,服务器应当保证两个应用程序的类库可以互相独立使用。

  2)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组织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。

  3)Web容器需要尽可能地保证自身的安全不受部署的Web应用程序影响。目前,有许多主流的Java Web容器自身也是使用Java语言来实现的。因此,Web容器本身也有类库依赖的问题,一般来说,基于安全考虑,容器所使用的类库应该与应用程序的类库互相独立。

  4)支持JSP应用的Web容器,大多数都需要支持HotSwap功能。我们知道,JSP文件最终要编译成Java Class才能由虚拟机执行,但JSP文件由于其纯文本存储的特性,运行时修改的概率远远大于第三方类库或程序自身的Class文件。而且ASP、PHP和JSP这些网页应用也把修改后无须重启作为一个很大的“优势”来看待,因此“主流”的Web容器都会支持JSP生成类的热替换,当然也有“非主流”的,如运行在生产模式(Production Mode)下的WebLogic服务器默认就不会处理JSP文件的变化。

  由于存在上述问题,在部署Web应用时,单独的一个Class Path就无法满足需求了,所以各种Web容都“不约而同”地提供了好几个Class Path路径供用户存放第三方类库,这些路径一般都以“lib”或“classes”命名。被放置到不同路径中的类库,具备不同的访问范围和服务对象,通常,每一个目录都会有一个相应的自定义类加载器去加载放置在里面的Java类库。现在,就以Tomcat容器为例,看一看Tomcat具体是如何规划用户类库结构和类加载器的。

  在Tomcat目录结构中,有3组目录(“/common/*”、“/server/*”和“/shared/*”)可以存放Java类库,另外还可以加上Web应用程序自身的目录“/WEB-INF/*”,一共4组,把Java类库放置在这些目录中的含义分别如下:

  ①放置在/common目录中:类库可被Tomcat和所有的Web应用程序共同使用。

  ②放置在/server目录中:类库可被Tomcat使用,对所有的Web应用程序都不可见。

  ③放置在/shared目录中:类库可被所有的Web应用程序共同使用,但对Tomcat自己不可见。

  ④放置在/WebApp/WEB-INF目录中:类库仅仅可以被此Web应用程序使用,对Tomcat和其他Web应用程序都不可见。

  为了支持这套目录结构,并对目录里面的类库进行加载和隔离,Tomcat自定义了多个类加载器,这些类加载器按照经典的双亲委派模型来实现,其关系如下图所示。
image.png
  上图中灰色背景的3个类加载器是JDK默认提供的类加载器,这3个加载器的作用已经介绍过了。而CommonClassLoader、CatalinaClassLoader、SharedClassLoader和WebappClassLoader则是Tomcat自己定义的类加载器,它们分别加载/common/*、/server/*、/shared/*和/WebApp/WEB-INF/*中的Java类库。其中WebApp类加载器和Jsp类加载器通常会存在多个实例,每一个Web应用程序对应一个WebApp类加载器,每一个JSP文件对应一个Jsp类加载器。

从图中的委派关系中可以看出,CommonClassLoader能加载的类都可以被Catalina ClassLoader和SharedClassLoader使用,而CatalinaClassLoader和Shared ClassLoader自己能加载的类则与对方相互隔离。WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类,但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个.Class文件,它出现的目的就是为了被丢弃:当Web容器检测到JSP文件被修改时,会替换掉目前的JasperLoader的实例,并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的HotSwap功能。

  对于Tomcat的6.x版本,只有指定了tomcat/conf/catalina.properties配置文件的server.loader和share.loader项后才会真正建立Catalina ClassLoader和Shared ClassLoader的实例,否则在用到这两个类加载器的地方都会用Common ClassLoader的实例代替,而默认的配置文件中没有设置这两个loader项,所以Tomcat 6.x顺理成章地把/common、/server和/shared三个目录默认合并到一起变成一个/lib目录,这个目录里的类库相当于以前/common目录中类库的作用。这是Tomcat设计团队为了简化大多数的部署场景所做的一项改进,如果默认设置不能满足需要,用户可以通过修改配置文件指定server.loader和share.loader的方式重新启用Tomcat 5.x的加载器架构。

  Tomcat加载器的实现清晰易懂,并且采用了官方推荐的“正统”的使用类加载器的方式。如果读者阅读完上面的案例后,能完全理解Tomcat设计团队这样布置加载器架构的用意,那说明已经大致掌握了类加载器“主流”的使用方式,那么笔者不妨再提一个问题让读者思考一下:前面曾经提到过一个场景,如果有10个Web应用程序都是用Spring来进行组织和管理的话,可以把Spring放到Common或Shared目录下让这些程序共享。Spring要对用户程序的类进行管理,自然要能访问到用户程序的类,而用户的程序显然是放在/WebApp/WEB-INF目录中的,那么被CommonClassLoader或SharedClassLoader加载的Spring如何访问并不在其加载范围内的用户程序呢?如果研究过虚拟机类加载器机制中的双亲委派模型,相信读者可以很容易地回答这个问题。

  分析:如果按主流的双亲委派机制,显然无法做到让父类加载器加载的类去访问子类加载器加载的类,上面在类加载器一节中提到过通过线程上下文方式传播类加载器。

  答案是使用线程上下文类加载器来实现的,使用线程上下文加载器,可以让父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作。看spring源码发现,spring加载类所用的Classloader是通过Thread.currentThread().getContextClassLoader()来获取的,而当线程创建时会默认setContextClassLoader(AppClassLoader),即线程上下文类加载器被设置为AppClassLoader,spring中始终可以获取到这个AppClassLoader(在Tomcat里就是WebAppClassLoader)子类加载器来加载bean,以后任何一个线程都可以通过getContextClassLoader()获取到WebAppClassLoader来getbean了。
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