淺談Tomcat如何打破雙親委托機制

Posted on by

我們經常會遇到ClassNotFound異常，表明JVM在嘗試加載某類時失敗瞭。

要解決這個異常，你得知道

  • 什麼是類加載
  • JVM如何加載類
  • 為什麼會出現ClassNotFound

想想Tomcat又是如何加載和管理Web應用下的Servlet呢？
Tomcat正是通過Context組件來加載管理Web應用的，所以今天我會詳細分析Tomcat的類加載機制。但在這之前，我們有必要預習一下JVM的類加載機制，我會先回答一下一開始拋出來的問題，接著再談談Tomcat的類加載器如何打破Java的雙親委托機制。

JVM的類加載器

Java的類加載，就是把字節碼格式.class文件加載到JVM的方法區，並在JVM堆建立一個java.lang.Class對象實例，封裝Java類相關的數據和方法。

Class對象是什麼？
可以理解成業務類的模板，JVM根據該模板創建具體業務類對象實例。

JVM並非在啟動時就把所有 .class 文件都加載一遍，而是程序在運行過程中用到該類才去加載。
JVM類加載由類加載器完成，JDK提供一個抽象類ClassLoader：

public abstract class ClassLoader {

    // 每個類加載器都有個父加載器
    private final ClassLoader parent;
    
    public Class<?> loadClass(String name) {
  
        // 查找該類是否被加載過
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        
        // 若未被加載過
        if( c == null ){
          // 【遞歸】委托給父加載器加載
          if (parent != null) {
              c = parent.loadClass(name);
          } else {
              // 若父加載器為空，查找Bootstrap加載器是否加載過瞭
              c = findBootstrapClassOrNull(name);
          }
        }
        // 若父加載器未加載成功，調用自己的findClass去加載
        if (c == null) {
            c = findClass(name);
        }
        
        return c；
    }
    
    protected Class<?> findClass(String name){
       // 1. 根據傳入的類名name，到在特定目錄下去尋找類文件，把.class文件讀入內存
          ...
          
       // 2. 調用defineClass將字節數組轉成Class對象
       return defineClass(buf, off, len)；
    }
    
    // 將字節碼數組解析成一個Class對象，用native方法實現
    protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len){
       ...
    }
}

JVM的類加載器是分層的父子關系，每個類加載器都持有一個parent字段指向父加載器。

  • defineClass 工具方法：調用native方法把Java類的字節碼解析成一個Class對象
  • findClass 就是找到 .class 文件，可能來自文件系統或網絡，找到後把 .class 文件讀到內存得到字節碼數組，然後調用defineClass方法得到Class對象

loadClass 首先檢查這個類是不是已經被加載過瞭，如果加載過瞭直接返回，否則交給父加載器去加載。
這是個遞歸調用，即子加載器持有父加載器引用，當一個類加載器需加載一個Java類時，會先委托父加載器去加載，然後父加載器在自己加載路徑中搜索Java類，當父加載器在自己的加載范圍內找不到時，才會交還給子加載器加載，這就是雙親委托機制。

JDK的類加載器工作原理是一樣的，區別隻是加載路徑不同，即findClass查找的路徑不同。
雙親委托機制是為保證一個Java類在JVM的唯一性。假如你手滑寫個與JRE核心類同名類，比如Object，雙親委托機制能保證加載的是JRE裡的那個Object類，而不是你寫的Object。
因為AppClassLoader在加載你的Object類時，會委托給ExtClassLoader去加載，而ExtClassLoader又會委托給BootstrapClassLoader，BootstrapClassLoader發現自己已經加載過瞭Object類，會直接返回，不會去加載你的Object類。

類加載器的父子關系不是通過繼承來實現的，比如AppClassLoader並非ExtClassLoader的子類，隻是AppClassLoader的parent指向ExtClassLoader對象。
所以若自定義類加載器，不是去繼承AppClassLoader，而是繼承ClassLoader抽象類，再重寫findClass和loadClass即可。
Tomcat就是通過自定義類加載器實現自己的類加載。
若你要打破雙親委托，也就隻需重寫loadClass，因為loadClass的默認實現就是雙親委托機制。

Tomcat的類加載器

Tomcat的自定義類加載器WebAppClassLoader打破瞭雙親委托機制：
首先自己嘗試去加載某個類，如果找不到再委托給父類加載器，目的是優先加載Web應用自己定義的類。
隻需重寫ClassLoader的兩個方法：

findClass

public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    ...
    
    Class<?> clazz = null;
    try {
            //1. 先在Web應用目錄下查找類 
            clazz = findClassInternal(name);
    }  catch (RuntimeException e) {
           throw e;
       }
    
    if (clazz == null) {
    try {
            //2. 如果在本地目錄沒有找到，交給父加載器去查找
            clazz = super.findClass(name);
    }  catch (RuntimeException e) {
           throw e;
       }
    
    //3. 如果父類也沒找到，拋出ClassNotFoundException
    if (clazz == null) {
        throw new ClassNotFoundException(name);
     }

    return clazz;
}

工作流程

  • 先在Web應用本地目錄下查找要加載的類
  • 若未找到，交給父加載器查找，即AppClassLoader
  • 若父加載器也沒找到這個類，拋ClassNotFound

loadClass

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

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

        //1. 先在本地cache查找該類是否已經加載過
        clazz = findLoadedClass0(name);
        if (clazz != null) {
            if (resolve)
                resolveClass(clazz);
            return clazz;
        }

        //2. 從系統類加載器的cache中查找是否加載過
        clazz = findLoadedClass(name);
        if (clazz != null) {
            if (resolve)
                resolveClass(clazz);
            return clazz;
        }

        // 3. 嘗試用ExtClassLoader類加載器類加載，為什麼？
        ClassLoader javaseLoader = getJavaseClassLoader();
        try {
            clazz = javaseLoader.loadClass(name);
            if (clazz != null) {
                if (resolve)
                    resolveClass(clazz);
                return clazz;
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // Ignore
        }

        // 4. 嘗試在本地目錄搜索class並加載
        try {
            clazz = findClass(name);
            if (clazz != null) {
                if (resolve)
                    resolveClass(clazz);
                return clazz;
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // Ignore
        }

        // 5. 嘗試用系統類加載器(也就是AppClassLoader)來加載
            try {
                clazz = Class.forName(name, false, parent);
                if (clazz != null) {
                    if (resolve)
                        resolveClass(clazz);
                    return clazz;
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // Ignore
            }
       }
    
    //6. 上述過程都加載失敗，拋出異常
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

工作流程

  • 先在本地Cache查找該類是否已加載過
  • 即Tomcat的類加載器是否已經加載過這個類。
  • 若Tomcat類加載器尚未加載過該類，再看看系統類加載器是否加載過
  • 若都沒有，就讓ExtClassLoader加載，為防止Web應用自己的類覆蓋JRE的核心類
  • 因為Tomcat需打破雙親委托，假如Web應用裡自定義瞭一個叫Object的類，若先加載該Object類，就會覆蓋JRE的Object類，所以Tomcat類加載器優先嘗試用ExtClassLoader去加載，因為ExtClassLoader會委托給BootstrapClassLoader去加載，BootstrapClassLoader發現自己已經加載瞭Object類，直接返回給Tomcat的類加載器，這樣Tomcat的類加載器就不會去加載Web應用下的Object類瞭，避免覆蓋JRE核心類。
  • 若ExtClassLoader加載失敗，即JRE無此類，則在本地Web應用目錄下查找並加載
  • 若本地目錄下無此類，說明不是Web應用自己定義的類，那麼由系統類加載器去加載。這裡請你註意，Web應用是通過Class.forName調用交給系統類加載器的，因為Class.forName的默認加載器就是系統類加載器。
  • 若上述加載過程都失敗，拋ClassNotFound

可見 Tomcat 類加載器打破瞭雙親委托，沒有一上來就直接委托給父加載器，而是先在本地目錄下加載。
但為避免本地目錄類覆蓋JRE核心類，會先嘗試用ExtClassLoader加載。
那為何不先用AppClassLoader加載？
若這樣，就又變成雙親委托，這就是Tomcat類加載器的奧妙。

到此這篇關於淺談Tomcat如何打破雙親委托機制的文章就介紹到這瞭,更多相關Tomcat 雙親委托機制內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

推薦閱讀：