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：启动类加载器主要加载的是JVM自身需要的类，这个类加载使用C++语言实现的，是虚拟机自身的一部分，它负责将 <JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库或-Xbootclasspath参数指定的路径下的jar包加载到内存中，注意必由于虚拟机是按照文件名识别加载jar包的，如rt.jar，如果文件名不被虚拟机识别，即使把jar包丢到lib目录下也是没有作用的(出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类)。
- Extended Loader：扩展类加载器是指Sun公司(已被Oracle收购)实现的sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类，由Java语言实现的，是Launcher的静态内部类，它负责加载<JAVA_HOME>/lib/ext目录下或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位路径中的类库，开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
- AppClass Loader： 也称应用程序加载器是指 Sun公司实现的sun.misc.Launcher$AppClassLoader。它负责加载系统类路径java -classpath或-D java.class.path 指定路径下的类库，也就是我们经常用到的classpath路径，开发者可以直接使用系统类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器，通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器。
根据java虚拟机的双亲委派模式的原则，类加载器在加载一个类时，首先交给父类加载器加载，层层往上直到Bootstrap Loader。也就是一个类最先由Bootstrap Loader加载，如果没有加载到，则交给下一层的类加载器加载，如果没有加载到，则依次层层往下，直到最下层的类加载器。这也就是说，凡是能通过父一级类加载器加载到的类，对于子类也是可见的。因此可以利用双亲委派模式的特性，使用类加载器对不同路径下的jar包或者类进行环境隔离。
然后用一张图片来展示Tomcat的类加载体系：
这里结合之前对双亲委派模式的类加载过程的描述，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方法的部分代码见代码清单1。
代码清单1 Bootstrap的init方法的部分实现 :
/**
* 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
代码清单1中，我们首先关注initClassLoaders方法的实现，见代码清单2.initClassLoaders方法用来初始化commonLoader、catalinaLoader、sharedLoader。
代码清单2 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);
}
}
从代码清单2中看到创建类加载器是通过调用createClassLoader方法实现的，createClassLoader的实现见代码清单3.
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方法的执行步骤如下：
- 获取各个类加载器相应的资源配置文件（分别为common.loader、server.loader、shared.loader），从中获取类资源路径的配置信息；
- 解析类资源路径下的各个资源位置和类型，也包括对jar资源的检查；
- 调用ClassLoaderFactory.createClassLoader(locations, types, parent)方法创建ClassLoader；
- 将ClassLoader注册到JMX服务中。
我们回头看看代码清单1中的SecurityClassLoad.securityClassLoad(catalinaLoader)的实现，见代码清单4.这说明加载Tomcat容器本身的类资源的确是使用catalinaLoader来完成的。
代码清单4 securityClassLoad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，其实现见代码清单5所示。
代码清单5 loadCorePackage的实现:
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，有关commonLoader、catalinaLoader和sharedLoader三个类加载器的初始化以及使用catalinaLoader加载Tomcat容器自身类资源的内容已经介绍完了，WebappClassLoader下次补上。
