简聊Tomcat的类加载器架构

主流的Java Web服务器（也就是Web容器），如Tomcat、Jetty、WebLogic、WebSphere或其他笔者没有列举的服务器，都实现了自己定义的类加载器（一般都不止一个）。因为一个功能健全的Web容器，要解决如下几个问题：

  1）部署在同一个Web容器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以实现相互隔离。这是最基本的需求，两个不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本，不能要求一个类库在一个服务器中只有一份，服务器应当保证两个应用程序的类库可以互相独立使用。

  2）部署在同一个Web容器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以互相共享。这个需求也很常见，例如，用户可能有10个使用Spring组织的应用程序部署在同一台服务器上，如果把10份Spring分别存放在各个应用程序的隔离目录中，将会是很大的资源浪费——这主要倒不是浪费磁盘空间的问题，而是指类库在使用时都要被加载到Web容器的内存，如果类库不能共享，虚拟机的方法区就会很容易出现过度膨胀的风险。

  3）Web容器需要尽可能地保证自身的安全不受部署的Web应用程序影响。目前，有许多主流的Java Web容器自身也是使用Java语言来实现的。因此，Web容器本身也有类库依赖的问题，一般来说，基于安全考虑，容器所使用的类库应该与应用程序的类库互相独立。

  4）支持JSP应用的Web容器，大多数都需要支持HotSwap功能。我们知道，JSP文件最终要编译成Java Class才能由虚拟机执行，但JSP文件由于其纯文本存储的特性，运行时修改的概率远远大于第三方类库或程序自身的Class文件。而且ASP、PHP和JSP这些网页应用也把修改后无须重启作为一个很大的“优势”来看待，因此“主流”的Web容器都会支持JSP生成类的热替换，当然也有“非主流”的，如运行在生产模式（Production Mode）下的WebLogic服务器默认就不会处理JSP文件的变化。

  由于存在上述问题，在部署Web应用时，单独的一个Class Path就无法满足需求了，所以各种Web容都“不约而同”地提供了好几个Class Path路径供用户存放第三方类库，这些路径一般都以“lib”或“classes”命名。被放置到不同路径中的类库，具备不同的访问范围和服务对象，通常，每一个目录都会有一个相应的自定义类加载器去加载放置在里面的Java类库。现在，就以Tomcat容器为例，看一看Tomcat具体是如何规划用户类库结构和类加载器的。

  在Tomcat目录结构中，有3组目录（“/common/*”、“/server/*”和“/shared/*”）可以存放Java类库，另外还可以加上Web应用程序自身的目录“/WEB-INF/*”，一共4组，把Java类库放置在这些目录中的含义分别如下：

  ①放置在/common目录中：类库可被Tomcat和所有的Web应用程序共同使用。

  ②放置在/server目录中：类库可被Tomcat使用，对所有的Web应用程序都不可见。

  ③放置在/shared目录中：类库可被所有的Web应用程序共同使用，但对Tomcat自己不可见。

  ④放置在/WebApp/WEB-INF目录中：类库仅仅可以被此Web应用程序使用，对Tomcat和其他Web应用程序都不可见。

  为了支持这套目录结构，并对目录里面的类库进行加载和隔离，Tomcat自定义了多个类加载器，这些类加载器按照经典的双亲委派模型来实现，其关系如下图所示。

  上图中灰色背景的3个类加载器是JDK默认提供的类加载器，这3个加载器的作用已经介绍过了。而CommonClassLoader、CatalinaClassLoader、SharedClassLoader和WebappClassLoader则是Tomcat自己定义的类加载器，它们分别加载/common/*、/server/*、/shared/*和/WebApp/WEB-INF/*中的Java类库。其中WebApp类加载器和Jsp类加载器通常会存在多个实例，每一个Web应用程序对应一个WebApp类加载器，每一个JSP文件对应一个Jsp类加载器。

从图中的委派关系中可以看出，CommonClassLoader能加载的类都可以被Catalina ClassLoader和SharedClassLoader使用，而CatalinaClassLoader和Shared ClassLoader自己能加载的类则与对方相互隔离。WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类，但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个.Class文件，它出现的目的就是为了被丢弃：当Web容器检测到JSP文件被修改时，会替换掉目前的JasperLoader的实例，并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的HotSwap功能。

  对于Tomcat的6.x版本，只有指定了tomcat/conf/catalina.properties配置文件的server.loader和share.loader项后才会真正建立Catalina ClassLoader和Shared ClassLoader的实例，否则在用到这两个类加载器的地方都会用Common ClassLoader的实例代替，而默认的配置文件中没有设置这两个loader项，所以Tomcat 6.x顺理成章地把/common、/server和/shared三个目录默认合并到一起变成一个/lib目录，这个目录里的类库相当于以前/common目录中类库的作用。这是Tomcat设计团队为了简化大多数的部署场景所做的一项改进，如果默认设置不能满足需要，用户可以通过修改配置文件指定server.loader和share.loader的方式重新启用Tomcat 5.x的加载器架构。

  Tomcat加载器的实现清晰易懂，并且采用了官方推荐的“正统”的使用类加载器的方式。如果读者阅读完上面的案例后，能完全理解Tomcat设计团队这样布置加载器架构的用意，那说明已经大致掌握了类加载器“主流”的使用方式，那么笔者不妨再提一个问题让读者思考一下：前面曾经提到过一个场景，如果有10个Web应用程序都是用Spring来进行组织和管理的话，可以把Spring放到Common或Shared目录下让这些程序共享。Spring要对用户程序的类进行管理，自然要能访问到用户程序的类，而用户的程序显然是放在/WebApp/WEB-INF目录中的，那么被CommonClassLoader或SharedClassLoader加载的Spring如何访问并不在其加载范围内的用户程序呢？如果研究过虚拟机类加载器机制中的双亲委派模型，相信读者可以很容易地回答这个问题。

  分析：如果按主流的双亲委派机制，显然无法做到让父类加载器加载的类去访问子类加载器加载的类，上面在类加载器一节中提到过通过线程上下文方式传播类加载器。

  答案是使用线程上下文类加载器来实现的，使用线程上下文加载器，可以让父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作。看spring源码发现，spring加载类所用的Classloader是通过Thread.currentThread().getContextClassLoader()来获取的，而当线程创建时会默认setContextClassLoader(AppClassLoader)，即线程上下文类加载器被设置为AppClassLoader，spring中始终可以获取到这个AppClassLoader(在Tomcat里就是WebAppClassLoader)子类加载器来加载bean，以后任何一个线程都可以通过getContextClassLoader()获取到WebAppClassLoader来getbean了。