Tomcat源码分析——类加载体系

简介:

前言

Tomcat遵循J2EE规范,实现了Web容器。很多有关web的书籍和文章都离不开对Tomcat的分析,初学者可以从Tomcat的实现对J2EE有更深入的了解。此外,Tomcat还根据Java虚拟机规范实现了经典的双亲委派模式的类加载体系。本文基于Tomcat7.0的Java源码,对其类加载体系进行分析。

概述

首先简单介绍下Java虚拟机规范中提到的主要类加载器;
  • Bootstrap Loader:加载lib目录下或者System.getProperty(“sun.boot.class.path”)、或者-XBootclasspath所指定的路径或jar。
  • Extended Loader:加载lib\ext目录下或者System.getProperty(“java.ext.dirs”) 所指定的 路径或jar。在使用Java运行程序时,也可以指定其搜索路径,例如:java -Djava.ext.dirs=d:\projects\testproj\classes HelloWorld。
  • AppClass Loader:加载System.getProperty("java.class.path")所指定的 路径或jar。在使用Java运行程序时,也可以加上-cp来覆盖原有的Classpath设置,例如: java -cp ./lavasoft/classes HelloWorld。
然后用一张图片来展示Tomcat的类加载体系:

这里对上图所示类加载体系进行介绍:
ClassLoader:Java提供的类加载器抽象类,用户自定义的类加载器需要继承实现
commonLoader:Tomcat最基本的类加载器,加载路径中的class可以被Tomcat容器本身以及各个Webapp访问;
catalinaLoader:Tomcat容器私有的类加载器,加载路径中的class对于Webapp不可见;
sharedLoader:各个Webapp共享的类加载器,加载路径中的class对于所有Webapp可见,但是对于Tomcat容器不可见;
WebappClassLoader:各个Webapp私有的类加载器,加载路径中的class只对当前Webapp可见;

源码分析

commonLoader、catalinaLoader和sharedLoader在Tomcat容器初始化的一开始,即调用Bootstrap的init方法时创建。catalinaLoader会被设置为Tomcat主线程的线程上下文类加载器,并且使用catalinaLoader加载Tomcat容器自身容器下的class。Bootstrap的init方法的部分代码清单如下:
    /**
     * Initialize daemon.
     */
    public void init()
        throws Exception
    {

        // Set Catalina path
        setCatalinaHome();
        setCatalinaBase();

        initClassLoaders();

        Thread.currentThread().setContextClassLoader(catalinaLoader);

        SecurityClassLoad.securityClassLoad(catalinaLoader);
        // 省略后边的代码

 我们接着来看initClassLoaders方法的实现:

    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) {
            log.error("Class loader creation threw exception", t);
            System.exit(1);
        }
    }

 创建类加载器的createClassLoader方法的实现:

    private ClassLoader createClassLoader(String name, ClassLoader parent)
        throws Exception {

        String value = CatalinaProperties.getProperty(name + ".loader");
        if ((value == null) || (value.equals("")))
            return parent;

        ArrayList<String> repositoryLocations = new ArrayList<String>();
        ArrayList<Integer> repositoryTypes = new ArrayList<Integer>();
        int i;
 
        StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(value, ",");
        while (tokenizer.hasMoreElements()) {
            String repository = tokenizer.nextToken();

            // Local repository
            boolean replace = false;
            String before = repository;
            while ((i=repository.indexOf(CATALINA_HOME_TOKEN))>=0) {
                replace=true;
                if (i>0) {
                repository = repository.substring(0,i) + getCatalinaHome() 
                    + repository.substring(i+CATALINA_HOME_TOKEN.length());
                } else {
                    repository = getCatalinaHome() 
                        + repository.substring(CATALINA_HOME_TOKEN.length());
                }
            }
            while ((i=repository.indexOf(CATALINA_BASE_TOKEN))>=0) {
                replace=true;
                if (i>0) {
                repository = repository.substring(0,i) + getCatalinaBase() 
                    + repository.substring(i+CATALINA_BASE_TOKEN.length());
                } else {
                    repository = getCatalinaBase() 
                        + repository.substring(CATALINA_BASE_TOKEN.length());
                }
            }
            if (replace && log.isDebugEnabled())
                log.debug("Expanded " + before + " to " + repository);

            // Check for a JAR URL repository
            try {
                new URL(repository);
                repositoryLocations.add(repository);
                repositoryTypes.add(ClassLoaderFactory.IS_URL);
                continue;
            } catch (MalformedURLException e) {
                // Ignore
            }

            if (repository.endsWith("*.jar")) {
                repository = repository.substring
                    (0, repository.length() - "*.jar".length());
                repositoryLocations.add(repository);
                repositoryTypes.add(ClassLoaderFactory.IS_GLOB);
            } else if (repository.endsWith(".jar")) {
                repositoryLocations.add(repository);
                repositoryTypes.add(ClassLoaderFactory.IS_JAR);
            } else {
                repositoryLocations.add(repository);
                repositoryTypes.add(ClassLoaderFactory.IS_DIR);
            }
        }

        String[] locations = repositoryLocations.toArray(new String[0]);
        Integer[] types = repositoryTypes.toArray(new Integer[0]);
 
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderFactory.createClassLoader
            (locations, types, parent);

        // Retrieving MBean server
        MBeanServer mBeanServer = null;
        if (MBeanServerFactory.findMBeanServer(null).size() > 0) {
            mBeanServer = MBeanServerFactory.findMBeanServer(null).get(0);
        } else {
            mBeanServer = ManagementFactory.getPlatformMBeanServer();
        }

        // Register the server classloader
        ObjectName objectName =
            new ObjectName("Catalina:type=ServerClassLoader,name=" + name);
        mBeanServer.registerMBean(classLoader, objectName);

        return classLoader;

    }

createClassLoader最终使用ClassLoaderFactory.createClassLoader(locations, types, parent)方法创建ClassLoader。我们回头看看SecurityClassLoad.securityClassLoad(catalinaLoader)的实现:

    public static void securityClassLoad(ClassLoader loader)
        throws Exception {

        if( System.getSecurityManager() == null ){
            return;
        }
        
        loadCorePackage(loader);
        loadLoaderPackage(loader);
        loadSessionPackage(loader);
        loadUtilPackage(loader);
        loadJavaxPackage(loader);
        loadCoyotePackage(loader);        
        loadTomcatPackage(loader);
    }

securityClassLoad方法主要加载Tomcat容器所需的class,包括:

  • Tomcat核心class,即org.apache.catalina.core路径下的class;
  • org.apache.catalina.loader.WebappClassLoader$PrivilegedFindResourceByName;
  • Tomcat有关session的class,即org.apache.catalina.session路径下的class;
  • Tomcat工具类的class,即org.apache.catalina.util路径下的class;
  • javax.servlet.http.Cookie;
  • Tomcat处理请求的class,即org.apache.catalina.connector路径下的class;
  • Tomcat其它工具类的class,也是org.apache.catalina.util路径下的class;

我们以加载Tomcat核心class的loadCorePackage方法为例,查看其实现:

    private final static void loadCorePackage(ClassLoader loader)
        throws Exception {
        String basePackage = "org.apache.catalina.";
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.ApplicationContextFacade$1");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.ApplicationDispatcher$PrivilegedForward");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.ApplicationDispatcher$PrivilegedInclude");
        loader.loadClass
            (basePackage +
            "core.AsyncContextImpl");
        loader.loadClass
            (basePackage +
            "core.AsyncContextImpl$AsyncState");
        loader.loadClass
            (basePackage +
            "core.AsyncContextImpl$DebugException");
        loader.loadClass
            (basePackage +
            "core.AsyncContextImpl$1");
        loader.loadClass
            (basePackage +
            "core.AsyncContextImpl$2");
        loader.loadClass
            (basePackage +
            "core.AsyncListenerWrapper");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.ContainerBase$PrivilegedAddChild");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.DefaultInstanceManager$1");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.DefaultInstanceManager$2");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.DefaultInstanceManager$3");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.DefaultInstanceManager$4");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.DefaultInstanceManager$5");
        loader.loadClass
            (basePackage +
             "core.ApplicationHttpRequest$AttributeNamesEnumerator");
    }

 至此,我们还没有看到WebappClassLoader。启动StandardContext的时候会创建WebappLoader,StandardContext的方法startInternal的部分代码如下:

    /**
     * Start this component and implement the requirements
     * of {@link LifecycleBase#startInternal()}.
     *
     * @exception LifecycleException if this component detects a fatal error
     *  that prevents this component from being used
     */
    @Override
    protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {

        // 省略前边的代码 

        if (getLoader() == null) {
            WebappLoader webappLoader = new WebappLoader(getParentClassLoader());
            webappLoader.setDelegate(getDelegate());
            setLoader(webappLoader);
        }
       // 省略中间的代码 
       // Start our subordinate components, if any
       if ((loader != null) && (loader instanceof Lifecycle))
            ((Lifecycle) loader).start(); 
       // 省略后边的代码 
    }

 从上面代码看到最后会调用WebappLoader的start方法,start又调用了startInternal方法,startInternal的实现如下:

    /**
     * Start associated {@link ClassLoader} and implement the requirements
     * of {@link LifecycleBase#startInternal()}.
     *
     * @exception LifecycleException if this component detects a fatal error
     *  that prevents this component from being used
     */
    @Override
    protected void startInternal() throws LifecycleException {
        
        // Register a stream handler factory for the JNDI protocol
        URLStreamHandlerFactory streamHandlerFactory =
            new DirContextURLStreamHandlerFactory();
        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) {
                // 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.setClearReferencesStatic(
                        ((StandardContext) container).getClearReferencesStatic());
                classLoader.setClearReferencesStopThreads(
                        ((StandardContext) container).getClearReferencesStopThreads());
                classLoader.setClearReferencesStopTimerThreads(
                        ((StandardContext) container).getClearReferencesStopTimerThreads());
                classLoader.setClearReferencesThreadLocals(
                        ((StandardContext) container).getClearReferencesThreadLocals());
            }

            for (int i = 0; i < repositories.length; i++) {
                classLoader.addRepository(repositories[i]);
            }

 最后我们看看createClassLoader的实现:

    /**
     * Create associated classLoader.
     */
    private WebappClassLoader createClassLoader()
        throws Exception {
//loaderClass即字符串org.apache.catalina.loader.WebappClassLoader Class<?> clazz = Class.forName(loaderClass); WebappClassLoader classLoader = null; if (parentClassLoader == null) { parentClassLoader = container.getParentClassLoader(); } Class<?>[] argTypes = { ClassLoader.class }; Object[] args = { parentClassLoader }; Constructor<?> constr = clazz.getConstructor(argTypes); classLoader = (WebappClassLoader) constr.newInstance(args); return classLoader; }

 至此,整个Tomcat的类加载体系构建完毕。

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