Tomcat源碼學習（五）-- Tomcat_7.0.70 類加載體系分析
一、前言
Tomcat遵循J2EE規範，實現了Web容器。Java虛擬機有本身的一套類加載體系，一樣Tomcat也有本身的一套類加載體系。java
二、概述
首先簡單介紹下Java虛擬機的主要的類加載器：web
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啓動類加載器（bootstrap classloader）apache
它用來加載 Java 的核心庫，是用原生代碼(本地代碼，與平臺有關)來實現的，並不繼承自java.lang.ClassLoader。這個類加載器負責將存放在<JAVA_HOME>\lib目錄中的，或者被-Xbootclasspath參數所指定的路徑中的，而且是虛擬機識加的（僅按照文件名識別，如rt.jar，名字不符合的類庫即便放在lib目錄中也不會被加載）類庫加載到虛擬機內存中。啓動類加載器沒法被Java程序直接引用。bootstrap
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擴展類加載器（extensions classloader）session
擴展類加載器是由 Sun 的 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader） 實現的。它負責將 < Java_Runtime_Home >/lib/ext 或者由系統變量java.ext.dir 指定位置中的類庫加載到內存中app
-
應用程序類加載器（application classloader）webapp
系統類加載器是由 Sun 的 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）實現的，因爲這個類加載器是ClassLoader中getSystemClassLoader()方法的返回值，因此通常也稱它爲系統類加載器。它根據 Java 應用的類路徑（CLASSPATH）來加載 Java 類。開發者能夠直接使用這個類加載器，若是應用程序中沒有自定義過本身的類加載器，通常狀況下這個就是程序默認的類加載器。工具
-
用戶自定義的類裝載器this
用戶自定義的類裝載器是普通的Java對象，它的類必須派生自java.lang.ClassLoader類。ClassLoader中定義的方法爲程序爲程序提供了訪問類裝載器機制的接口。此外，對於每個被裝載的類型，Java虛擬機都會爲它建立一個java.lang.Class類的實例來表明該類型。和全部其它對象同樣，用戶自定義的類裝載器以有Class類的實例都放在內存中的堆區，而裝載的類型信息則都放在方法區。url
而後在來一張圖簡要說明Tomcat的類加載體系（圖畫的很差）：
- ClassLoader：Java提供的類加載器抽象類，用戶自定義的類加載器須要繼承實現
- commonLoader：Tomcat最基本的類加載器，加載路徑中的class能夠被Tomcat容器自己以及各個Webapp訪問
- catalinaLoader：Tomcat容器私有的類加載器，加載路徑中的class對於Webapp不可見
- sharedLoader：各個Webapp共享的類加載器，加載路徑中的class對於全部Webapp可見，可是對於Tomcat容器不可見
- WebappClassLoader：各個Webapp私有的類加載器，加載路徑中的class只對當前Webapp可見
三、分析
commonLoader、catalinaLoader和sharedLoader在Tomcat容器初始化的一開始，即調用Bootstrap的init方法時建立。catalinaLoader會被設置爲Tomcat主線程的線程上下文類加載器，而且使用catalinaLoader加載Tomcat容器自身容器下的class。Bootstrap的init方法的部分代碼以下：
/**
* Initialize daemon.
*/
public void init()
throws Exception
{
setCatalinaHome();
setCatalinaBase();
initClassLoaders();
Thread.currentThread().setContextClassLoader(catalinaLoader);
SecurityClassLoad.securityClassLoad(catalinaLoader);
.....
}
initClassLoaders方法：
private void initClassLoaders() {
try {
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();
}
catalinaLoader = createClassLoader("server", commonLoader);
sharedLoader = createClassLoader("shared", commonLoader);
} catch (Throwable t) {
handleThrowable(t);
log.error("Class loader creation threw exception", t);
System.exit(1);
}
}
建立類加載器的createClassLoader方法的實現：
private ClassLoader createClassLoader(String name, ClassLoader parent)
throws Exception {
String value = CatalinaProperties.getProperty(name + ".loader");
if ((value == null) || (value.equals("")))
return parent;
value = replace(value);
List<Repository> repositories = new ArrayList<Repository>();
StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(value, ",");
while (tokenizer.hasMoreElements()) {
String repository = tokenizer.nextToken().trim();
if (repository.length() == 0) {
continue;
}
// Check for a JAR URL repository
try {
@SuppressWarnings("unused")
URL url = new URL(repository);
repositories.add(
new Repository(repository, RepositoryType.URL));
continue;
} catch (MalformedURLException e) {
// Ignore
}
// Local repository
if (repository.endsWith("*.jar")) {
repository = repository.substring
(0, repository.length() - "*.jar".length());
repositories.add(
new Repository(repository, RepositoryType.GLOB));
} else if (repository.endsWith(".jar")) {
repositories.add(
new Repository(repository, RepositoryType.JAR));
} else {
repositories.add(
new Repository(repository, RepositoryType.DIR));
}
}
return ClassLoaderFactory.createClassLoader(repositories, parent);
}
createClassLoader最終使用ClassLoaderFactory.createClassLoader(locations, types, parent)方法建立ClassLoader。
咱們在看SecurityClassLoad.securityClassLoad(catalinaLoader);
public static void securityClassLoad(ClassLoader loader)
throws Exception {
if( System.getSecurityManager() == null ){
return;
}
loadCorePackage(loader);
loadCoyotePackage(loader);
loadLoaderPackage(loader);
loadRealmPackage(loader);
loadServletsPackage(loader);
loadSessionPackage(loader);
loadUtilPackage(loader);
loadValvesPackage(loader);
loadJavaxPackage(loader);
loadConnectorPackage(loader);
loadTomcatPackage(loader);
}
securityClassLoad方法主要加載Tomcat容器所需的class，包括：
- Tomcat核心class，即org.apache.catalina.core路徑下的class；
- org.apache.catalina.loader.WebappClassLoader$PrivilegedFindResourceByName
- Tomcat有關session的class，即org.apache.catalina.session路徑下的class
- Tomcat工具類的class，即org.apache.catalina.util路徑下的class
- javax.servlet.http.Cookie
- Tomcat處理請求的class，即org.apache.catalina.connector路徑下的class
- Tomcat其它工具類的class，也是org.apache.catalina.util路徑下的class
咱們以加載Tomcat核心class的loadCorePackage方法爲例，查看其實現：
private static final void loadCorePackage(ClassLoader loader)
throws Exception {
final String basePackage = "org.apache.catalina.core.";
loader.loadClass
(basePackage +
"AccessLogAdapter");
loader.loadClass
(basePackage +
"ApplicationContextFacade$1");
loader.loadClass
(basePackage +
"ApplicationDispatcher$PrivilegedForward");
loader.loadClass
(basePackage +
"ApplicationDispatcher$PrivilegedInclude");
loader.loadClass
(basePackage +
"AsyncContextImpl");
loader.loadClass
(basePackage +
"AsyncContextImpl$DebugException");
loader.loadClass
(basePackage +
"AsyncContextImpl$1");
loader.loadClass
(basePackage +
"AsyncListenerWrapper");
loader.loadClass
(basePackage +
"ContainerBase$PrivilegedAddChild");
loader.loadClass
(basePackage +
"DefaultInstanceManager$1");
loader.loadClass
(basePackage +
"DefaultInstanceManager$2");
loader.loadClass
(basePackage +
"DefaultInstanceManager$3");
loader.loadClass
(basePackage +
"DefaultInstanceManager$AnnotationCacheEntry");
loader.loadClass
(basePackage +
"DefaultInstanceManager$AnnotationCacheEntryType");
loader.loadClass
(basePackage +
"ApplicationHttpRequest$AttributeNamesEnumerator");
}
至此爲止，咱們尚未看到WebappClassLoader。啓動StandardContext的時候會建立WebappLoader，StandardContext的方法startInternal的部分代碼以下：
protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {
......
if (getLoader() == null) {
WebappLoader webappLoader = new WebappLoader(getParentClassLoader());
webappLoader.setDelegate(getDelegate());
setLoader(webappLoader);
}
......
if ((loader != null) && (loader instanceof Lifecycle))
((Lifecycle) loader).start();
// 省略後邊的代碼
}
從上面代碼看到最後會調用WebappLoader的start方法:
public final synchronized void start() throws LifecycleException {
if (LifecycleState.STARTING_PREP.equals(state) || LifecycleState.STARTING.equals(state) ||
LifecycleState.STARTED.equals(state)) {
if (log.isDebugEnabled()) {
Exception e = new LifecycleException();
log.debug(sm.getString("lifecycleBase.alreadyStarted", toString()), e);
} else if (log.isInfoEnabled()) {
log.info(sm.getString("lifecycleBase.alreadyStarted", toString()));
}
return;
}
if (state.equals(LifecycleState.NEW)) {
init();
} else if (state.equals(LifecycleState.FAILED)) {
stop();
} else if (!state.equals(LifecycleState.INITIALIZED) &&
!state.equals(LifecycleState.STOPPED)) {
invalidTransition(Lifecycle.BEFORE_START_EVENT);
}
setStateInternal(LifecycleState.STARTING_PREP, null, false);
try {
startInternal();//start再次調用了startInternal方法（WebappLoader中的方法）
} catch (Throwable t) {
// This is an 'uncontrolled' failure so put the component into the
// FAILED state and throw an exception.
ExceptionUtils.handleThrowable(t);
setStateInternal(LifecycleState.FAILED, null, false);
throw new LifecycleException(sm.getString("lifecycleBase.startFail", toString()), t);
}
if (state.equals(LifecycleState.FAILED)) {
// This is a 'controlled' failure. The component put itself into the
// FAILED state so call stop() to complete the clean-up.
stop();
} else if (!state.equals(LifecycleState.STARTING)) {
// Shouldn't be necessary but acts as a check that sub-classes are
// doing what they are supposed to.
invalidTransition(Lifecycle.AFTER_START_EVENT);
} else {
setStateInternal(LifecycleState.STARTED, null, false);
}
}
start又調用了startInternal方法，startInternal的實現以下：
protected void startInternal() throws LifecycleException {
if (log.isDebugEnabled())
log.debug(sm.getString("webappLoader.starting"));
if (container.getResources() == null) {
log.info("No resources for " + container);
setState(LifecycleState.STARTING);
return;
}
// Register a stream handler factory for the JNDI protocol
URLStreamHandlerFactory streamHandlerFactory =
DirContextURLStreamHandlerFactory.getInstance();
if (first) {
first = false;
try {
URL.setURLStreamHandlerFactory(streamHandlerFactory);
} catch (Exception e) {
// Log and continue anyway, this is not critical
log.error("Error registering jndi stream handler", e);
} catch (Throwable t) {
ExceptionUtils.handleThrowable(t);
// This is likely a dual registration
log.info("Dual registration of jndi stream handler: "
+ t.getMessage());
}
}
// Construct a class loader based on our current repositories list
try {
classLoader = createClassLoader();
classLoader.setResources(container.getResources());
classLoader.setDelegate(this.delegate);
classLoader.setSearchExternalFirst(searchExternalFirst);
if (container instanceof StandardContext) {
classLoader.setAntiJARLocking(
((StandardContext) container).getAntiJARLocking());
classLoader.setClearReferencesRmiTargets(
((StandardContext) container).getClearReferencesRmiTargets());
classLoader.setClearReferencesStatic(
((StandardContext) container).getClearReferencesStatic());
classLoader.setClearReferencesStopThreads(
((StandardContext) container).getClearReferencesStopThreads());
classLoader.setClearReferencesStopTimerThreads(
((StandardContext) container).getClearReferencesStopTimerThreads());
classLoader.setClearReferencesHttpClientKeepAliveThread(
((StandardContext) container).getClearReferencesHttpClientKeepAliveThread());
}
for (int i = 0; i < repositories.length; i++) {
classLoader.addRepository(repositories[i]);
}
// Configure our repositories
setRepositories();
setClassPath();
setPermissions();
((Lifecycle) classLoader).start();
// Binding the Webapp class loader to the directory context
DirContextURLStreamHandler.bind(classLoader,
this.container.getResources());
StandardContext ctx=(StandardContext)container;
String contextName = ctx.getName();
if (!contextName.startsWith("/")) {
contextName = "/" + contextName;
}
ObjectName cloname = new ObjectName
(MBeanUtils.getDomain(ctx) + ":type=WebappClassLoader,context="
+ contextName + ",host=" + ctx.getParent().getName());
Registry.getRegistry(null, null)
.registerComponent(classLoader, cloname, null);
} catch (Throwable t) {
t = ExceptionUtils.unwrapInvocationTargetException(t);
ExceptionUtils.handleThrowable(t);
log.error( "LifecycleException ", t );
throw new LifecycleException("start: ", t);
}
setState(LifecycleState.STARTING);
}
最後咱們看看createClassLoader的實現：
private WebappClassLoaderBase createClassLoader()
throws Exception {
Class<?> clazz = Class.forName(loaderClass);
WebappClassLoaderBase classLoader = null;
if (parentClassLoader == null) {
parentClassLoader = container.getParentClassLoader();
}
Class<?>[] argTypes = { ClassLoader.class };
Object[] args = { parentClassLoader };
Constructor<?> constr = clazz.getConstructor(argTypes);
classLoader = (WebappClassLoaderBase) constr.newInstance(args);
return classLoader;
}
至此Tomcat類加載完畢。
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