Tomcat如何打破双亲委托机制？

Posted 2021-08-29 JavaEdge.

我们经常会遇到ClassNotFound异常，表明JVM在尝试加载某类时失败了。
要解决这个异常，你得知道

• 什么是类加载
• JVM如何加载类
• 为什么会出现ClassNotFound

想想Tomcat又是如何加载和管理Web应用下的Servlet呢？
Tomcat正是通过Context组件来加载管理Web应用的，所以今天我会详细分析Tomcat的类加载机制。但在这之前，我们有必要预习一下JVM的类加载机制，我会先回答一下一开始抛出来的问题，接着再谈谈Tomcat的类加载器如何打破Java的双亲委托机制。

JVM的类加载器

Java的类加载，就是把字节码格式.class文件加载到JVM的方法区，并在JVM堆建立一个java.lang.Class对象实例，封装Java类相关的数据和方法。

Class对象是什么？
可以理解成业务类的模板，JVM根据该模板创建具体业务类对象实例。

JVM并非在启动时就把所有 .class 文件都加载一遍，而是程序在运行过程中用到该类才去加载。
JVM类加载由类加载器完成，JDK提供一个抽象类ClassLoader：

public abstract class ClassLoader {

    // 每个类加载器都有个父加载器
    private final ClassLoader parent;
    
    public Class<?> loadClass(String name) {
  
        // 查找该类是否被加载过
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        
        // 若未被加载过
        if( c == null ){
          // 【递归】委托给父加载器加载
          if (parent != null) {
              c = parent.loadClass(name);
          } else {
              // 若父加载器为空，查找Bootstrap加载器是否加载过了
              c = findBootstrapClassOrNull(name);
          }
        }
        // 若父加载器未加载成功，调用自己的findClass去加载
        if (c == null) {
            c = findClass(name);
        }
        
        return c；
    }
    
    protected Class<?> findClass(String name){
       // 1. 根据传入的类名name，到在特定目录下去寻找类文件，把.class文件读入内存
          ...
          
       // 2. 调用defineClass将字节数组转成Class对象
       return defineClass(buf, off, len)；
    }
    
    // 将字节码数组解析成一个Class对象，用native方法实现
    protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len){
       ...
    }
}

JVM的类加载器是分层的父子关系，每个类加载器都持有一个parent字段指向父加载器。

• defineClass 工具方法：调用native方法把Java类的字节码解析成一个Class对象
• findClass 就是找到 .class 文件，可能来自文件系统或网络，找到后把 .class 文件读到内存得到字节码数组，然后调用defineClass方法得到Class对象

loadClass 首先检查这个类是不是已经被加载过了，如果加载过了直接返回，否则交给父加载器去加载。
这是个递归调用，即子加载器持有父加载器引用，当一个类加载器需加载一个Java类时，会先委托父加载器去加载，然后父加载器在自己加载路径中搜索Java类，当父加载器在自己的加载范围内找不到时，才会交还给子加载器加载，这就是双亲委托机制。

JDK的类加载器工作原理是一样的，区别只是加载路径不同，即findClass查找的路径不同。
双亲委托机制是为保证一个Java类在JVM的唯一性。假如你手滑写个与JRE核心类同名类，比如Object，双亲委托机制能保证加载的是JRE里的那个Object类，而不是你写的Object。
因为AppClassLoader在加载你的Object类时，会委托给ExtClassLoader去加载，而ExtClassLoader又会委托给BootstrapClassLoader，BootstrapClassLoader发现自己已经加载过了Object类，会直接返回，不会去加载你的Object类。

类加载器的父子关系不是通过继承来实现的，比如AppClassLoader并非ExtClassLoader的子类，只是AppClassLoader的parent指向ExtClassLoader对象。
所以若自定义类加载器，不是去继承AppClassLoader，而是继承ClassLoader抽象类，再重写findClass和loadClass即可。
Tomcat就是通过自定义类加载器实现自己的类加载。
若你要打破双亲委托，也就只需重写loadClass，因为loadClass的默认实现就是双亲委托机制。

Tomcat的类加载器

Tomcat的自定义类加载器WebAppClassLoader打破了双亲委托机制：
首先自己尝试去加载某个类，如果找不到再委托给父类加载器，目的是优先加载Web应用自己定义的类。
只需重写ClassLoader的两个方法：

findClass

public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    ...
    
    Class<?> clazz = null;
    try {
            //1. 先在Web应用目录下查找类 
            clazz = findClassInternal(name);
    }  catch (RuntimeException e) {
           throw e;
       }
    
    if (clazz == null) {
    try {
            //2. 如果在本地目录没有找到，交给父加载器去查找
            clazz = super.findClass(name);
    }  catch (RuntimeException e) {
           throw e;
       }
    
    //3. 如果父类也没找到，抛出ClassNotFoundException
    if (clazz == null) {
        throw new ClassNotFoundException(name);
     }

    return clazz;
}

工作流程

• 先在Web应用本地目录下查找要加载的类
• 若未找到，交给父加载器查找，即AppClassLoader
• 若父加载器也没找到这个类，抛ClassNotFound

loadClass

public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {

    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
 
        Class<?> clazz = null;

        //1. 先在本地cache查找该类是否已经加载过
        clazz = findLoadedClass0(name);
        if (clazz != null) {
            if (resolve)
                resolveClass(clazz);
            return clazz;
        }

        //2. 从系统类加载器的cache中查找是否加载过
        clazz = findLoadedClass(name);
        if (clazz != null) {
            if (resolve)
                resolveClass(clazz);
            return clazz;
        }

        // 3. 尝试用ExtClassLoader类加载器类加载，为什么？
        ClassLoader javaseLoader = getJavaseClassLoader();
        try {
            clazz = javaseLoader.loadClass(name);
            if (clazz != null) {
                if (resolve)
                    resolveClass(clazz);
                return clazz;
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // Ignore
        }

        // 4. 尝试在本地目录搜索class并加载
        try {
            clazz = findClass(name);
            if (clazz != null) {
                if (resolve)
                    resolveClass(clazz);
                return clazz;
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // Ignore
        }

        // 5. 尝试用系统类加载器(也就是AppClassLoader)来加载
            try {
                clazz = Class.forName(name, false, parent);
                if (clazz != null) {
                    if (resolve)
                        resolveClass(clazz);
                    return clazz;
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // Ignore
            }
       }
    
    //6. 上述过程都加载失败，抛出异常
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

工作流程

• 先在本地Cache查找该类是否已加载过
  即Tomcat的类加载器是否已经加载过这个类。
• 若Tomcat类加载器尚未加载过该类，再看看系统类加载器是否加载过
• 若都没有，就让ExtClassLoader加载，为防止Web应用自己的类覆盖JRE的核心类
  因为Tomcat需打破双亲委托，假如Web应用里自定义了一个叫Object的类，若先加载该Object类，就会覆盖JRE的Object类，所以Tomcat类加载器优先尝试用ExtClassLoader去加载，因为ExtClassLoader会委托给BootstrapClassLoader去加载，BootstrapClassLoader发现自己已经加载了Object类，直接返回给Tomcat的类加载器，这样Tomcat的类加载器就不会去加载Web应用下的Object类了，避免覆盖JRE核心类。
• 若ExtClassLoader加载失败，即JRE无此类，则在本地Web应用目录下查找并加载
• 若本地目录下无此类，说明不是Web应用自己定义的类，那么由系统类加载器去加载。这里请你注意，Web应用是通过Class.forName调用交给系统类加载器的，因为Class.forName的默认加载器就是系统类加载器。
• 若上述加载过程都失败，抛ClassNotFound

可见 Tomcat 类加载器打破了双亲委托，没有一上来就直接委托给父加载器，而是先在本地目录下加载。
但为避免本地目录类覆盖JRE核心类，会先尝试用ExtClassLoader加载。
那为何不先用AppClassLoader加载？
若这样，就又变成双亲委托，这就是Tomcat类加载器的奥妙。