浅谈Tomcat如何打破双亲委托机制

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。

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