类加载机制:双亲委任模型和tomcat类加载器

简介

类是如何加载的，那么必须要面对的几个问题如下

1. 什么是类加载机制？
2. 什么是双亲委任模型？
3. 如何破坏双亲委任模型？
4. Tomcat 的类加载器是怎么设计的？

类加载机制

Java 中的类加载器大致可以分成两类，一类是系统提供的，另外一类则是由 Java 应用开发人员编写的。

系统提供的类加载器主要有下面三个：

• 引导类加载器（bootstrap class loader）：它用来加载 Java 的核心库，是用原生代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader。
• 扩展类加载器（extensions class loader）：它用来加载 Java 的扩展库。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。
• 系统类加载器（system class loader）：它根据 Java 应用的类路径（CLASSPATH）来加载 Java 类。一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它。

除了系统提供的类加载器以外，开发人员可以通过继承 java.lang.ClassLoader类的方式实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。

除了引导类加载器之外，所有的类加载器都有一个父类加载器，通过 getParent()方法可以得到。

对于系统提供的类加载器来说，系统类加载器的父类加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的父类加载器是引导类加载器；对于开发人员编写的类加载器来说，其父类加载器是加载此类加载器 Java 类的类加载器。因为类加载器 Java 类如同其它的 Java 类一样，也是要由类加载器来加载的。一般来说，开发人员编写的类加载器的父类加载器是系统类加载器。类加载器通过这种方式组织起来，形成树状结构。树的根节点就是引导类加载器。图 2中给出了一个典型的类加载器树状组织结构示意图，其中的箭头指向的是父类加载器。

标准图【图1】

通俗手绘图【图1】

清单 1. 演示类加载器的树状组织结构

public class ClassLoaderTree { 

   public static void main(String[] args) { 
       ClassLoader loader = ClassLoaderTree.class.getClassLoader(); 
       while (loader != null) { 
           System.out.println(loader.toString()); 
           loader = loader.getParent(); 
       } 
   } 
}

每个 Java 类都维护着一个指向定义它的类加载器的引用，通过 getClassLoader()方法就可以获取到此引用。代码清单 1中通过递归调用 getParent()方法来输出全部的父类加载器。代码清单 1的运行结果如 代码清单 2所示。

清单 2. 演示类加载器的树状组织结构的运行结果

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@9304b1 
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@190d11

如 代码清单 2所示，第一个输出的是 ClassLoaderTree类的类加载器，即系统类加载器。它是 sun.misc.Launcher$AppClassLoader类的实例；第二个输出的是扩展类加载器，是 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader类的实例。需要注意的是这里并没有输出引导类加载器，这是由于有些 JDK 的实现对于父类加载器是引导类加载器的情况，getParent()方法返回 null。

在了解了类加载器的树状组织结构之后，下面介绍类加载器的代理模式。

类加载器的代理模式–双亲委派模型

类加载器在尝试自己去查找某个类的字节代码并定义它时，会先代理给其父类加载器，由父类加载器先去尝试加载这个类，依次类推。

类加载器与类的唯一性

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但是对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身共同确立其在Java虚拟机中的唯一性。
通俗的说，JVM中两个类是否“相等”，首先就必须是同一个类加载器加载的，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要类加载器不同，那么这两个类必定是不相等的。

这里的“相等”，包括代表类的Class对象的equals()方法、isAssignableFrom()方法、isInstance()方法的返回结果，也包括使用instanceof关键字做对象所属关系判定等情况。
在介

Java 虚拟机不仅要看类的全名是否相同，还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况，才认为两个类是相同的。即便是同样的字节代码，被不同的类加载器加载之后所得到的类，也是不同的。比如一个 Java 类 com.example.Sample，编译之后生成了字节代码文件 Sample.class。两个不同的类加载器 ClassLoaderA和 ClassLoaderB分别读取了这个 Sample.class文件，并定义出两个 java.lang.Class类的实例来表示这个类。这两个实例是不相同的。对于 Java 虚拟机来说，它们是不同的类。试图对这两个类的对象进行相互赋值，会抛出运行时异常 ClassCastException。下面通过示例来具体说明。代码清单 3中给出了 Java 类 com.example.Sample。

清单 3. com.example.Sample 类

package com.example; 

public class Sample { 
   private Sample instance; 

   public void setSample(Object instance) { 
       this.instance = (Sample) instance; 
   } 
}

如 代码清单 3所示，com.example.Sample类的方法 setSample接受一个 java.lang.Object类型的参数，并且会把该参数强制转换成 com.example.Sample类型。测试 Java 类是否相同的代码如 代码清单 4所示。

清单 4. 测试 Java 类是否相同

public void testClassIdentity() { 
   String classDataRootPath = "C:\\workspace\\Classloader\\classData"; 
   FileSystemClassLoader fscl1 = new FileSystemClassLoader(classDataRootPath); 
   FileSystemClassLoader fscl2 = new FileSystemClassLoader(classDataRootPath); 
   String className = "com.example.Sample";    
   try { 
       Class<?> class1 = fscl1.loadClass(className); 
       Object obj1 = class1.newInstance(); 
       Class<?> class2 = fscl2.loadClass(className); 
       Object obj2 = class2.newInstance(); 
       Method setSampleMethod = class1.getMethod("setSample", java.lang.Object.class); 
       setSampleMethod.invoke(obj1, obj2); 
   } catch (Exception e) { 
       e.printStackTrace(); 
   } 
}

代码清单 4中使用了类 FileSystemClassLoader的两个不同实例来分别加载类 com.example.Sample，得到了两个不同的 java.lang.Class的实例，接着通过 newInstance()方法分别生成了两个类的对象 obj1和 obj2，最后通过 Java 的反射 API 在对象 obj1上调用方法 setSample，试图把对象 obj2赋值给 obj1内部的 instance对象。代码清单 4的运行结果如 代码清单 5所示。

清单 5. 测试 Java 类是否相同的运行结果

java.lang.reflect.InvocationTargetException 
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method) 
at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:39) 
at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:25)
at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:597) 
at classloader.ClassIdentity.testClassIdentity(ClassIdentity.java:26) 
at classloader.ClassIdentity.main(ClassIdentity.java:9) 
Caused by: java.lang.ClassCastException: com.example.Sample 
cannot be cast to com.example.Sample 
at com.example.Sample.setSample(Sample.java:7) 
... 6 more

从 代码清单 5给出的运行结果可以看到，运行时抛出了 java.lang.ClassCastException异常。虽然两个对象 obj1和 obj2的类的名字相同，但是这两个类是由不同的类加载器实例来加载的，因此不被 Java 虚拟机认为是相同的。

了解了这一点之后，就可以理解代理模式的设计动机了。代理模式是为了保证 Java 核心库的类型安全。所有 Java 应用都至少需要引用 java.lang.Object类，也就是说在运行的时候，java.lang.Object这个类需要被加载到 Java 虚拟机中。如果这个加载过程由 Java 应用自己的类加载器来完成的话，很可能就存在多个版本的 java.lang.Object类，而且这些类之间是不兼容的。

通过代理模式，对于 Java 核心库的类的加载工作由引导类加载器来统一完成，保证了 Java 应用所使用的都是同一个版本的 Java 核心库的类，是互相兼容的。

不同的类加载器为相同名称的类创建了额外的名称空间。相同名称的类可以并存在 Java 虚拟机中，只需要用不同的类加载器来加载它们即可。不同类加载器加载的类之间是不兼容的，这就相当于在 Java 虚拟机内部创建了一个个相互隔离的 Java 类空间。这种技术在许多框架中都被用到，后面会详细介绍。

双亲委派模型

双亲委派模型要求除了顶层的启动加载类相同外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承的关系来实现，而是使用组合关系来复用父类加载器的代码。

双亲委派模型的工作过程：如果一个类加载器收到了类加载器的请求.它首先不会自己去尝试加载这个类.而是把这个请求委派给父加载器去完成.每个层次的类加载器都是如此.因此所有的加载请求最终都会传送到Bootstrap类加载器(唯一启动类加载器)中.只有父类加载反馈自己无法加载这个请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时.子加载器才会尝试自己的加载器加载。

双亲委派的代码实现(在ClassLoader类中的loadClass中)：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name,boolean resolve)throws ClassNotFoundException
{
        Class c = findLoadedClass(name);
        if(c==null)
        {
            try
            {
                if(parent!=null)
                {
                    c = parent.loadClass(name,false);
                }
                else
                {
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            }
            catch(ClassNotFoundException e)
            {

            }
            if(c==null)
            {
                c = findClass(name);
            }
        }
        if(resolve)
        {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
}

逻辑：先检查是否已经被加载过.若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法.若父加载器为空则默认使用Bootstrap类加载器作为父加载器.若父加载失败.抛出ClassNotFoundException异常后再调用自己的findClass()方法进行加载…

破坏双亲委派模型

注意

双亲委派模型是Java设计者推荐给开发者的类加载器的实现方式，并不是强制规定的。大多数的类加载器都遵循这个模型，但是JDK中也有较大规模破坏双亲模型的情况，例如线程上下文类加载器（Thread
Context ClassLoader）的出现，具体分析可以参见周志明著《深入理解Java虚拟机》。

双亲委派模型有过3次大规模的“被破坏”的情况。

• 第一次：在双亲委派模型出现之前—–即JDK1.2发布之前。
• 第二次：是这个模型自身的缺陷导致的。我们说，双亲委派模型很好的解决了各个类加载器的基础类的统一问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载），基础类之所以称为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码的API调用， 但没有绝对，如果基础类调用用户的代码怎么办呢？

这不是没有可能的。一个典型的例子就是JNDI服务，JNDI现在已经是Java的标准服务，它的代码由启动类加载器去加载（在JDK1.3时就放进去的rt.jar）,但它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者（SPI，
Service Provider
Interface）的代码，但启动类加载器不可能“认识“这些代码啊。因为这些类不在rt.jar中，但是启动类加载器又需要加载。怎么办呢？
为了解决这个问题，Java设计团队只好引入了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader方法进行设置。如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过多的话，那这个类加载器默认即使应用程序类加载器。
嘿嘿，有了线程上下文加载器，JNDI服务使用这个线程上下文加载器去加载所需要的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作，这种行为实际上就是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，实际上已经违背了双亲委派模型的一般性原则。但这无可奈何，Java中所有涉及SPI的加载动作基本胜都采用这种方式。例如JNDI，JDBC，JCE，JAXB，JBI等。

• 第三次：为了实现热插拔，热部署，模块化，意思是添加一个功能或减去一个功能不用重启，只需要把这模块连同类加载器一起换掉就实现了代码的热替换。

书中还说到：

Java 程序中基本有一个共识：OSGI对类加载器的使用时值得学习的，弄懂了OSGI的实现，就可以算是掌握了类加载器的精髓。

牛逼啊！！！

现在，我们已经基本明白了Java默认的类加载的作用了原理，也知道双亲委派模型。说了这么多，差点把我们的tomcat给忘了，我们的题目是Tomcat 加载器为何违背双亲委派模型？下面就好好说说我们的tomcat的类加载器。

典型破坏者tomcat

Tomcat 如果使用默认的类加载机制行不行？
我们思考一下：Tomcat是个web容器， 那么它要解决什么问题：
1. 一个web容器可能需要部署两个应用程序，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，不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份，因此要保证每个应用程序的类库都是独立的，保证相互隔离。
2. 部署在同一个web容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则，如果服务器有10个应用程序，那么要有10份相同的类库加载进虚拟机，这是扯淡的。
3. web容器也有自己依赖的类库，不能于应用程序的类库混淆。基于安全考虑，应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。
4. web容器要支持jsp的修改，我们知道，jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟机中运行，但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情，否则要你何用？ 所以，web容器需要支持 jsp 修改后不用重启。

再看看我们的问题：Tomcat 如果使用默认的类加载机制行不行？
答案是不行的。为什么？我们看，第一个问题，如果使用默认的类加载器机制，那么是无法加载两个相同类库的不同版本的，默认的累加器是不管你是什么版本的，只在乎你的全限定类名，并且只有一份。第二个问题，默认的类加载器是能够实现的，因为他的职责就是保证唯一性。第三个问题和第一个问题一样。我们再看第四个问题，我们想我们要怎么实现jsp文件的热修改（楼主起的名字），jsp 文件其实也就是class文件，那么如果修改了，但类名还是一样，类加载器会直接取方法区中已经存在的，修改后的jsp是不会重新加载的。那么怎么办呢？我们可以直接卸载掉这jsp文件的类加载器，所以你应该想到了，每个jsp文件对应一个唯一的类加载器，当一个jsp文件修改了，就直接卸载这个jsp类加载器。重新创建类加载器，重新加载jsp文件。

Tomcat 如何实现自己独特的类加载机制？
所以，Tomcat 是怎么实现的呢？牛逼的Tomcat团队已经设计好了。我们看看他们的设计图：

我们看到，前面3个类加载和默认的一致，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/（在tomcat 6之后已经合并到根目录下的lib目录下）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。

• 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；
  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，从而实现了公有类库的共用，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。

好了，至此，我们已经知道了tomcat为什么要这么设计，以及是如何设计的，那么，tomcat 违背了java 推荐的双亲委派模型了吗？答案是：违背了。 我们前面说过：

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器之外，其余的类加载器都应当由自己的父类加载器加载。

很显然，tomcat 不是这样实现，tomcat 为了实现隔离性，没有遵守这个约定，每个webappClassLoader加载自己的目录下的class文件，不会传递给父类加载器。

我们扩展出一个问题：如果tomcat 的 Common ClassLoader 想加载 WebApp ClassLoader 中的类，该怎么办？
看了前面的关于破坏双亲委派模型的内容，我们心里有数了，我们可以使用线程上下文类加载器实现，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

参考文档

深入探讨 Java 类加载器https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-classloader/