极客学院团队出品 · 更新于 2018-06-23 19:01:26

类加载机制

概述

与很多服务器应用一样,Tomcat 也安装了各种类加载器(那就是实现了 java.lang.ClassLoader 的类)。借助类加载器,容器的不同部分以及运行在容器上的 Web 应用就可以访问不同的仓库(保存着可使用的类和资源)。这个机制实现了 Servlet 规范 2.4 版(尤其是 9.4 节和 9.6 节)里所定义的功能。

在 Java 环境中,类加载器的布局结构是一种父子树的形式。通常,类加载器被请求加载一个特定的类或资源时,它会先把这一请求委托给它的父类加载器,只有(一个或多个)父类加载器无法找到请求的类或资源时,它才开始查看自身的仓库。注意,Web 应用的类加载器模式跟这个稍有不同,下文将详细介绍,但基本原理是一样。

当 Tomcat 启动后,它就会创建一组类加载器,这些类加载器被布局成如下图所示这种父子关系,父类加载器在子类加载器之上:

      Bootstrap
          |
       System
          |
       Common
       /     \
  Webapp1   Webapp2 ...

接下来,通过几节内容来详细说明每一个类加载器的特点,其中还将讲解这些加载器可使用的类和资源的来源。

类加载器定义

如上图所示,Tomcat 在初始化时会创建如下这些类加载器:

  • Bootstrap 这种类加载器包含 JVM 所提供的基本的运行时类,以及来自系统扩展目录($JAVA_HOME/jre/lib/ext)里 JAR 文件中的类。注意:在有些 JVM 的实现中,它的作用不仅仅是类加载器,或者它可能根本不可见(作为类加载器)。

  • System 这种类加载器通常是根据 CLASSPATH 环境变量内容进行初始化的。所有的这些类对于 Tomcat 内部类以及 Web 应用来说都是可见的。不过,标准的 Tomcat 启动脚本($CATALINA_HOME/bin/catalina.sh%CATALINA_HOME%\bin\catalina.bat)完全忽略了 CLASSPATH 环境变量自身的内容,相反从下列仓库来构建系统类加载器:

    • $CATALINA_HOME/bin/bootstrap.jar 包含用来初始化 Tomcat 服务器的 main() 方法,以及它所依赖的类加载器实现类。
    • $CATALINA_BASE/bin/tomcat-juli.jar$CATALINA_HOME/bin/tomcat-juli.jar 日志实现类。其中包括了对 java.util.logging API 的功能增强类(Tomcat JULI),以及对 Tomcat 内部使用的 Apache Commons 日志库的包重命名副本。详情参看 Tomcat 日志文档

      如果 *$CATALINA_BASE/bin* 中存在 `tomcat-juli.jar`,就不会使用 *$CATALINA_HOME/bin* 中的那一个。它有助于日志的特定配置。   
    • $CATALINA_HOME/bin/commons-daemon.jar Apache Commons Daemon 项目的类。该 JAR 文件并不存在于由 catalina.batcatalina.sh 脚本所创建的 CLASSPATH 中,而是引用自 bootstrap.jar 的清单文件。
  • Common 这种类加载器包含更多的额外类,它们对于Tomcat 内部类以及所有 Web 应用都是可见的。

    通常,应用类不会放在这里。该类加载器所搜索的位置定义在 $CATALINA_BASE/conf/catalina.propertiescommon.loader 属性中。默认的设置会搜索下列位置(按照列表中的上下顺序)。

    • $CATALINA_BASE/lib 中的解包的类和资源。
    • $CATALINA_BASE/lib 中的 JAR 文件。
    • $CATALINA_HOME/lib 中的解包类和资源。
    • $CATALINA_HOME/lib 中的 JAR 文件。

      默认,它包含以下这些内容:

    • annotations-api.jar JavaEE 注释类。
    • catalina.jar Tomcat 的 Catalina servlet 容器部分的实现。
    • catalina-ant.jar Tomcat Catalina Ant 任务。
    • catalina-ha.jar 高可用性包。
    • catalina-storeconfig.jar
    • catalina-tribes.jar 组通信包
    • ecj-*.jar Eclipse JDT Java 编译器
    • el-api.jar EL 3.0 API
    • jasper.jar Tomcat Jasper JSP 编译器与运行时
    • jasper-el.jar Tomcat Jasper EL 实现
    • jsp-api.jar JSP 2.3 API
    • servlet-api.jar Servlet 3.1 API
    • tomcat-api.jar Tomcat 定义的一些接口
    • tomcat-coyote.jar Tomcat 连接器与工具类。
    • tomcat-dbcp.jar 数据库连接池实现,基于 Apache Commons Pool 的包重命名副本和 Apache Commons DBCP。
    • tomcat-i18n-**.jar 包含其他语言资源束的可选 JAR。因为默认的资源束也可以包含在每个单独的 JAR 文件中,所以如果不需要国际化信息,可以将其安全地移除。
    • tomcat-jdbc.jar 一个数据库连接池替代实现,又被称作 Tomcat JDBC 池。详情参看 JDBC 连接池文档
    • tomcat-util.jar Apache Tomcat 多种组件所使用的常用类。
    • tomcat-websocket.jar WebSocket 1.1 实现
    • websocket-api.jar WebSocket 1.1 API
  • WebappX 为每个部署在单个 Tomcat 实例中的 Web 应用创建的类加载器。你的 Web 应用的 /WEB-INF/classes 目录中所有的解包类及资源,以及 /WEB-INF/lib 目录下 JAR 文件中的所有类及资源,对于该应用而言都是可见的,但对于其他应用来说则不可见。

如上所述,Web 应用类加载器背离了默认的 Java 委托模式(根据 Servlet 规范 2.4 版的 9.7.2 Web Application Classloader一节中提供的建议)。当某个请求想从 Web 应用的 WebappX 类加载器中加载类时,该类加载器会查看自己的仓库,而不是预先进行委托处理。There are exceptions。JRE 基类的部分类不能被重写。对于一些类(比如 J2SE 1.4+ 的 XML 解析器组件),可以使用 J2SE 1.4 支持的特性。最后,类加载器会显式地忽略所有包含 Servlet API 类的 JAR 文件,所以不要在 Web 应用包含任何这样的 JAR 文件。Tomcat 其他的类加载器则遵循常用的委托模式。

因此,从 Web 应用的角度来看,加载类或资源时,要查看的仓库及其顺序如下:

  • JVM 的 Bootstrap 类
  • Web 应用的 /WEB-INF/classes
  • Web 应用的 /WEB-INF/lib/*.jar
  • System 类加载器的类(如上所述)
  • Common 类加载器的类(如上所述)

如果 Web 应用类加载器配置有 <Loader delegate="true"/>,则顺序变为:

  • JVM 的 Bootstrap 类
  • System 类加载器的类(如上所述)
  • Common 类加载器的类(如上所述)
  • Web 应用的 /WEB-INF/classes
  • Web 应用的 /WEB-INF/lib/*.jar

XML解析器和 Java

从 Java 1.4 版起,JRE 就包含了一个 JAXP API 的副本和一个 XML 解析器。这对希望使用自己的 XML 解析器的应用产生了一定的影响。

在过去的 Tomcat 中,你只需在 Tomcat 库中简单地换掉 XML 解析器,就能改变所有 Web 应用使用的解析器。但对于现在版本的 Java 而言,这一技术并没有效果,因为通常的类加载器委托进程往往会优先选择 JDK 内部的实现。

Java 支持一种叫做“授权标准覆盖机制”,从而能够替换在 JCP 之外创建的 API(例如 W3C 的 DOM 和 SAX)。它还可以用于更新 XML 解析器实现。关于此机制的详情,请参看 http://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/standards/index.html

为了利用该机制,Tomcat 在启动容器的命令行中包含了系统属性设置 -Djava.endorsed.dirs=$JAVA_ENDORSED_DIRS。该选项的默认值为 $CATALINA_HOME/endorsed。但要注意,这个 endorsed 目录并非默认创建的。

安全管理器下运行

当在安全管理器下运行时,类被允许加载的位置也是基于策略文件中的内容,详情可查看 安全管理器文档

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