Tomcat学习笔记（7）- Loader(类加载器)

系统管理员 2023-03-04 06:49 116阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1. 什么是类加载器
 *  2. 破坏双亲委派
 *  3. Tomcat的类加载器
 *  4. ClassLoaderFactory
 *  5. ClassNotFoundException

# 1. 什么是类加载器 #

[详情可了解][Link 1]

所谓类加载器，就是用于加载Java类到Java虚拟机中的组件，它负责读取Java字节码，并转换成java.lang.Class类的一个实例，使字节码．class文件得以运行。

类加载器有如下三种分类：

*  启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：加载对象是Java核心库，把一些核心的Java类加载进JVM中，这个加载器使用原生代码（C/C++）实现，并不是继承java.lang.ClassLoader，它是所有其他类加载器的最终父加载器，负责加载<JAVA\_HOME>/jre/lib目录下JVM指定的类库。其实它属于JVM整体的一部分，JVM一启动就将这些指定的类加载到内存中，避免以后过多的I/O操作，提高系统的运行效率。启动类加载器无法被Java程序直接使用。
 *  扩展类加载器（Extension ClassLoader）：加载的对象为Java的扩展库，即加载<JAVA\_HOME>/jre/lib/ext目录里面的类。这个类由启动类加载器加载，但因为启动类加载器并非用Java实现，已经脱离了Java体系，所以如果尝试调用扩展类加载器的getParent()方法获取父加载器会得到null。然而，它的父类加载器是启动类加载器。
 *  应用程序类加载器（Application ClassLoader）：亦叫系统类加载器（System ClassLoader），它负责加载用户类路径（CLASSPATH）指定的类库，如果程序没有自己定义类加载器，就默认使用应用程序类加载器。它也由启动类加载器加载，但它的父加载类被设置成了扩展类加载器。如果要使用这个加载器，可通过ClassLoader.getSystem ClassLoader()获取。

**双亲委派模型：**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdHRsZXdoaXRldmc_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
双亲委派模型会在类加载器加载类时首先委托给父类加载器加载，除非父类加载器不能加载才自己加载。按照如上图的模型向上层委派。

**通过这个机制，保证了Java应用所使用的都是同一个版本的Java核心库的类，同时这个机制也保证了安全性。**

设想如果应用程序类加载器想要加载一个有破坏性的java.lang.System类，双亲委派模型会一层层向上委派，最终委派给启动类加载器，而启动类加载器检查到缓存中已经有了这个类，并不会再加载这个有破坏性的System类。

在JVM中，一个类由完全匹配类名和一个类加载器的实例ID作为唯一标识。也就是说，如果包名、类名都相同的类，只要它们由两个不同的类加载器加载，那么在JVM层面这两个类不是同一个类。这就是所谓的隔离机制。

**加载过程:**

要加载一个类，类加载器先判断此类是否已经加载过（加载过的类会缓存在内存中），如果缓存中存在此类，则直接返回这个类。否则，获取父类加载器，如果父类加载器为null，则由启动类加载器载入并返回Class。如果父类加载器不为null，则由父类加载器载入，载入成功就返回Class，载入失败则根据类路径查找Class文件，找到就加载此Class文件并返回Class，找不到就抛出ClassNotFoundException异常。

# 2. 破坏双亲委派 #

先来看一个例子：

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException { 
            ClassLoader myClassLoader = new ClassLoader() { 
                @Override
                public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
                    try { 
                        String filename = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class";
                        InputStream is = getClass().getResourceAsStream(filename);
                        if (is == null) { 
                            return super.loadClass(name);
                        }
                        byte[] b = new byte[is.available()];
                        is.read(b);
                        return defineClass(name, b, 0, b.length);
                    } catch (IOException e) { 
                        e.printStackTrace();
                    }
                    return null;
                }
            };
    
            Class<?> aClass = myClassLoader.loadClass("com.lyq.boot.lexicalanalysis.A");
            Object o =  aClass.newInstance();
            A a = new A();
            System.out.println(o.getClass().equals(a.getClass()));
        }

上面代码应该输出的是false。

默认的loadClass方法实现了双亲委派机制的逻辑，即会先让父类加载器加载，当无法加载时，才由自己加载。这里为了破坏双亲委派机制必须重写loadClass方法，即这里先尝试交由System类加载器加载，加载失败时才会由自己加载。**它并没有优先交给父类加载器，这就打破了双亲委派机制。**

所以，只要自定义类加载器每次不是往上递归交给父类，这样就破坏了双亲委派。

# 3. Tomcat的类加载器 #

Tomcat的类加载器需要完成的功能:

*  同一个Web服务器里，各个Web项目之间各自使用的Java类库要互相隔离。
 *  同一个Web服务器里，各个Web项目之间可以提供共享的Java类库。
 *  为了使服务器不受Web项目的影响，应该使服务器的类库与应用程序的类库互相独立。
 *  对于支持JSP的Web服务器，应该支持热插拔（HotSwap）功能。

很容易我们就可以看出，Web项目可能不止一个，那么类加载器应该也有很多个。

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在Tomcat中，最重要的一个类加载器是Common类加载器，它的父类加载器是应用程序类加载器。负责加载$CATALINA\_BASE/lib、$CATALINA\_HOME/lib两个目录下所有的．class文件与．jar文件。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdHRsZXdoaXRldmc_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

org.apache.catalina.startup.Bootstrap\#initClassLoaders

private void initClassLoaders() { 
            try { 
                commonLoader = createClassLoader("common", null);
                if (commonLoader == null) { 
                    // 没有配置文件，默认为这个加载器——我们可能在一个“单一”环境中。
                    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);
            }
        }

首先创建一个Common类加载器，再把Common类加载器作为参数传进createClassLoader方法里，在这个方法里面会根据catalina.properties中的server.loader和share.loader属性是否为空判断是否另外创建新的类加载器。如果属性为空，则把常见类加载器直接赋值给Catalina类加载器和共享类加载器。如果默认配置满足不了你的需求，可以通过修改catalina.properties配置文件满足需要。

其次，从WebApp ClassLoader的名字来看，就大概知道它主要用于加载Web应用程序。它的父类加载器是Common类加载器，Tomcat中一般会有多个WebApp类加载器实例，每个类加载器负责加载一个Web程序。

对照这样的一个类加载器结构，看看上面需要解决的问题是否解决。由于每个Web应用项目都有自己的WebApp类加载器，很好地使多个Web应用程序之间互相隔离且能通过创建新的WebApp类加载器达到热部署。这种类加载器结构能有效使Tomcat不受Web应用程序影响，而Common类加载器的存在使多个Web应用程序能够互相共享类库。

# 4. ClassLoaderFactory #

> Java虚拟机利用类加载器将类载入内存的过程中，类加载器要做很多的事情，例如，读取字节数组、验证、解析、初始化等。而Java提供的URLClassLoader类能方便地将Jar、Class或网络资源加载到内存中。Tomcat中则用一个工厂类ClassLoaderFactory把创建类加载器的细节进行封装，通过它可以很方便地创建自定义类加载器。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdHRsZXdoaXRldmc_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

利用createClassLoader方法并传入资源路径和父类加载器即可创建一个自定义类加载器，此类加载器负责加载传入的所有资源。

其中有个内部类Repository：

public static class Repository { 
            private final String location;
            private final RepositoryType type;
    
            public Repository(String location, RepositoryType type) { 
                this.location = location;
                this.type = type;
            }
    
            public String getLocation() { 
                return location;
            }
    
            public RepositoryType getType() { 
                return type;
            }
        }
    }
        public enum RepositoryType { 
            DIR,
            GLOB,
            JAR,
            URL
        }

对于RepositoryType ：

*  DIR：表示整个目录下的资源，包括所有Class、Jar包及其他类型资源。
 *  GLOB：表示整个目录下所有的Jar包资源，仅仅是．jar后缀的资源。
 *  JAR：表示单个Jar包资源。
 *  URL：表示从URL上获取的Jar包资源。

如下是一个创建类加载器的例子：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdHRsZXdoaXRldmc_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

# 5. ClassNotFoundException #

> Tomcat会创建Common类加载器、Catalina类加载器和共享类加载器三个类加载器供自己使用，这三个其实是同一个类加载器对象。  
> Tomcat在创建类加载器后马上就将其设置成当前线程类加载器，即Thread.currentThread().setContextClassLoader (CatalinaLoader)，这里主要是为了避免后面加载类时加载不成功。

为什么会抛出ClassNotFoundException：

1.  在JVM中，一个类由完全匹配类名和一个类加载器的实例ID作为唯一标识。
2.  在类加载器加载某个类时，一般会在类中引用、继承、扩展其他的类，于是类加载器查找这些引用类也是一层一层往父类加载器上查找的，最后查看自己，如果都找不到，将会报出找不到此类的错误。  
    **这里得解释：如果一个类A由M类加载器加载，那么其子类B由N加载时，它会在N加载的类中找A，而N中的类是没有加载A的，所以会抛出异常。**
3.  每个运行中的线程都有一个成员ContextClassLoader，用来在运行时动态地载入其他类。在没有显式声明由哪个类加载器加载的类（例如在程序中直接新建一个类）时，将默认由当前线程类加载器加载，即线程运行到需要加载新类时，用自己的类加载器对其进行加载。系统默认的ContextClassLoader是系统类加载器，所以一般而言，Java程序在执行时可以使用JVM自带的类、$JAVA\_HOME/jre/lib/ext/中的类和$CLASSPATH/中的类。

如何解决？

因为两个类被两个类加载器加载而导致找不到类，那么最简单的解决方法就是使这两个类统一由一个类加载器来加载。在tomcat中查看当前线程类加载器，并设置出现问题的类的加载器为同一加载器。这个设置的时机一般在Tomcat启动时就设置。  
至于如何使其是同一个加载器来加载，可以利用传递为双亲委派的特性设置父类加载器。

一般在启动时把Common类加载器设置为线程上下文类加载器。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/littlewhitevg/article/details/105521641
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdHRsZXdoaXRldmc_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230208/1eb50977cb3f4a63b79bed9bbf7963ff.png
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