前言

在探究 Tomcat 類加載機制之前，讓我們重溫一下 Java 默認的類加載器，加深對其的理解。如同作者在《深入理解 Java 虛擬機》第二版中所言，類加載機制對于理解 Java 運行時環境至關重要。

什么是類加載機制

Java 虛擬機將描述類的字節碼數據從 Class 文件加載至內存，并對其進行嚴格的校驗、轉換解析和初始化，最終生成可供虛擬機直接執行的 Java 類型。這一過程便是虛擬機的類加載機制。

虛擬機設計者將類加載階段中“根據全限定名獲取描述類信息的二進制字節流”這一關鍵步驟委托給了外部實現，賦予應用程序自行決定如何獲取所需類的權利。負責執行這一任務的代碼模塊被稱為“類加載器”。

類與類加載器的關系

類加載器雖然只負責加載類，但其影響卻遠超類加載階段本身。對于任何一個類，它與加載它的類加載器共同決定了該類在 Java 虛擬機中的唯一性，就好比每個類加載器都擁有一個獨立的“類倉庫”，每個倉庫中的類都是獨一無二的。因此，判斷兩個類是否相同，只有在它們由同一個類加載器加載的前提下才有意義。即使兩個類來自同一個 Class 文件，被同一個虛擬機加載，只要加載它們的類加載器不同，它們也必然被視為不同的類。

什么是雙親委任模型

1. 從 Java 虛擬機的視角來看，類加載器僅存在兩種類型：一是啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader），它由 C++語言實現（僅限于 HotSpot 虛擬機），是虛擬機自身的一部分；二是所有其他類加載器，它們均由 Java 語言實現，獨立于虛擬機外部，并且都繼承自抽象類 java.lang.ClassLoader。
2. 從 Java 開發者的角度，類加載器可以更細致地劃分，大部分 Java 程序員會接觸到以下三種系統提供的類加載器：

啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader）：它負責加載位于 JAVA_HOME/lib 目錄下的，或者被-Xbootclasspath 參數指定的路徑中的，并且被虛擬機識別的類庫（僅根據文件名識別，例如 rt.jar，其他名字的類庫即使放在 lib 目錄下也不會被重載）。

擴展類加載器（Extension ClassLoader）：由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 實現，它負責加載位于 JAVA_HOME/lib/ext 目錄下的，或由 java.ext.dirs 系統變量指定的路徑中的所有類庫。開發者可以直接使用擴展類加載器。

應用程序類加載器（Application ClassLoader）：由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 實現，由于它是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader 方法的返回值，因此也被稱為系統類加載器。它負責加載用戶類路徑（ClassPath）上所指定的類庫。開發者可以直接使用這個類加載器，如果應用程序沒有自定義類加載器，它通常是程序中的默認類加載器。

這些類加載器之間的關系一般如下圖所示：

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圖中各個類加載器之間的關系被稱為類加載器的雙親委派模型（Parents Delegation Mode）。雙親委派模型規定，除了頂層的啟動類加載器之外，其他所有類加載器都應該由其父類加載器加載。這里類加載器之間的父子關系通常不通過繼承實現，而是使用組合關系來復用父加載器的代碼。

類加載器的雙親委派模型在 JDK 1.2 時期被引入，并被廣泛應用于之后的 Java 程序中，但它并非強制性約束模型，而是 Java 設計者推薦給開發者的一種類加載器實現方式。

雙親委派模型的工作流程如下：當一個類加載器收到類加載請求時，它不會立即嘗試加載該類，而是將請求委托給父類加載器處理。每一層級類加載器都遵循這一原則，最終請求將傳遞到頂層的啟動類加載器。只有當父加載器反饋無法完成請求（在其搜索范圍內沒有找到所需的類）時，子加載器才會嘗試自己加載。

為什么要使用雙親委派模型

如果沒有使用雙親委派模型，而是由各個類加載器自行加載類，那么如果用戶編寫了一個名為java.lang.Object的類并將其放置在程序的 ClassPath 中，系統中就會出現多個不同的 Object 類。Java 類型體系中最基礎的行為將無法保證，應用程序也將變得混亂不堪。

雙親委任模型時如何實現的

非常簡單，雙親委派模型的核心邏輯體現在 java.lang.ClassLoader 中的 loadClass 方法中。

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首先判斷若類尚未加載，則委派父加載器嘗試加載。父加載器為空時，則默認委托啟動類加載器。若父加載器加載失敗，則拋出 ClassNotFoundException 異常，隨后調用自定義 findClass 方法進行加載。

如何破壞雙親委任模型

雙親委派模型并非強制性約束，而是 Java 設計者推薦的類加載器實現方式。雖然大部分類加載器都遵循這一模型，但也有例外。迄今為止，雙親委派模型曾三次被“打破”。

第一次發生在雙親委派模型出現之前，即 JDK 1.2 發布之前。

第二次則是模型本身的缺陷所致。雙親委派模型有效地解決了基礎類的統一加載問題（越基礎的類由越上層的加載器加載），然而，并非所有基礎類都只被用戶代碼調用。如果基礎類需要調用用戶代碼，就會出現問題。

這并非不可能。JNDI 服務就是一個典型例子。作為 Java 的標準服務，JNDI 的代碼由啟動類加載器加載（在 JDK 1.3 時就已包含在 rt.jar 中），但它需要調用獨立廠商實現并部署在應用程序 ClassPath 下的 JNDI 接口提供者（SPI，Service Provider Interface）的代碼。然而，啟動類加載器無法“識別”這些代碼，因為它們并不在 rt.jar 中。為了解決這個問題，啟動類加載器需要加載這些代碼。

為了解決這個問題，Java 設計團隊引入了一個名為線程上下文類加載器（Thread Context ClassLoader）的設計。這個類加載器可以通過 java.lang.Thread 類的 setContextClassLoader 方法進行設置。如果在創建線程時尚未設置，它會從父線程中繼承一個；如果在應用程序的全局范圍內都沒有設置，那么這個類加載器默認就是應用程序類加載器。

有了線程上下文加載器，JNDI 服務便可以使用它來加載所需的 SPI 代碼。這相當于父類加載器請求子類加載器完成類加載，打破了雙親委派模型的層次結構，逆向使用類加載器，實際上已經違背了模型的一般性原則。但這是無奈之舉，Java 中所有涉及 SPI 加載的動作基本上都采用這種方式，例如 JNDI、JDBC、JCE、JAXB、JBI 等。

第三次破壞則是為了實現熱插拔、熱部署、模塊化。這意味著添加或刪除功能無需重啟，只需將模塊連同其類加載器一起替換，即可實現代碼熱替換。

Tomcat 的類加載器是怎么設計的

首先，我們來思考個問題：

Tomcat 如果使用默認的類加載機制行不行？

細細想一下，Tomcat 作為一款 Web 容器，其存在的意義何在？到底是為了解決怎樣的問題？

1. Web 容器或需承載多個應用程序，而不同應用可能依賴于同一第三方類庫的不同版本。為確保應用間相互隔離，每個應用程序的類庫應保持獨立，避免彼此干擾。
2. 同一 Web 容器中的相同類庫版本可共享，以避免資源浪費。若每個應用程序都獨立加載相同類庫，則當服務器承載十個應用程序時，將會加載十份相同的類庫，這無疑是極不合理的。
3. Web 容器自身亦有其依賴的類庫，不可與應用程序的類庫混淆。出于安全考慮，容器的類庫與應用程序的類庫應嚴格隔離，互不干擾。
4. Web 容器需具備對 JSP 文件修改的支持。眾所周知，JSP 文件最終需編譯成 Class 文件才能在虛擬機中運行。然而，程序運行后修改 JSP 文件已成常態，否則容器便無實際意義。因此，Web 容器應支持 JSP 修改后無需重啟服務器，以提高開發效率。

再回頭看問題，Tomcat 如果使用默認的類加載機制行不行？

答案是不行的。為什么？

首先，默認的類加載器機制無法加載相同類庫的不同版本。其機制只關注全限定類名，而不會區分版本。因此，第一個和第三個問題無法通過默認機制解決。

其次，默認類加載器的職責正是確保類庫的唯一性，這與第二個問題并不沖突。

至于第四個問題，熱修改 JSP 文件面臨挑戰。JSP 文件最終編譯成 Class 文件，修改后的 JSP 文件仍擁有相同的類名，導致類加載器直接從方法區中獲取已存在的 Class 文件，無法加載修改后的內容。

為了解決這個問題，可以為每個 JSP 文件創建唯一的類加載器。當 JSP 文件修改后，直接卸載該類加載器，并重新創建類加載器，從而重新加載修改后的 JSP 文件。

Tomcat 如何實現自己獨特的類加載機制

首先看下 Tomcat 的設計圖：

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觀察這張圖，我們看到了多個類加載器，其中除了 JDK 自帶的類加載器之外，我們尤其關注 Tomcat 自身持有的類加載器。細細觀察，我們會發現 Catalina 類加載器和 Shared 類加載器并非父子關系，而是兄弟關系。這種設計背后的緣由，需要我們分析每個類加載器的用途才能明了。

從圖中我們能了解到 Tomcat 類加載器體系結構的設計精妙，每個類加載器各司其職，確保了系統的穩定性和安全性。

• Common 類加載器 負責加載 Tomcat 和 Web 應用共同復用的類，例如日志框架、通用工具庫等。
• Catalina 類加載器 專注于加載 Tomcat 自身的類，這些類在 Web 應用中不可見，確保了 Tomcat 核心功能的獨立性。
• Shared 類加載器 負責加載所有 Web 應用共同復用的類，例如數據庫連接池、緩存框架等，這些類在 Tomcat 中不可見，避免了應用之間的沖突。
• WebApp 類加載器 為每個 Web 應用單獨創建，負責加載該應用的類，這些類在 Tomcat 和其他應用中不可見，確保了應用之間的隔離。
• Jsp 類加載器 為每個 JSP 頁面創建唯一的類加載器，方便實現 JSP 頁面的熱插拔，提高開發效率。

至此，我們對 Tomcat 類加載器體系有了初步了解，接下來將深入探討其源碼實現。由于篇幅所限，詳細分析將在下一篇文章中展開。