Tomcat 类加载器源码分析

概述

上一轮从概念上认识了 Tomcat 的类加载器层次，本文深入源码：WebappClassLoaderBase 如何重写 loadClass 实现"打破双亲委派"、本地优先如何落地、JSP 类如何被处理、以及类加载器的关闭与卸载机制。这是理解 Tomcat 多应用隔离和内存泄漏问题的关键代码。

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一、类加载器继承体系

java.lang.ClassLoader
   └── URLClassLoader
        └── WebappClassLoaderBase（抽象基类，含全部核心逻辑）
             ├── WebappClassLoader（标准实现）
             └── ParallelWebappClassLoader（并行加载，默认）

// org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase
public abstract class WebappClassLoaderBase extends URLClassLoader {
    protected final WebResourceRoot resources;   // WEB-INF/classes 与 lib 的资源根
    protected final ClassLoader parent;          // 父加载器（Shared/Common）
    ...
}

关键设计：所有核心逻辑在基类，子类只是配合 JVM 的并行类加载锁（ParallelWebappClassLoader 允许不同类并行加载，避免锁竞争）。

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二、loadClass：打破双亲委派的核心

2.1 完整加载流程

// WebappClassLoaderBase.loadClass() —— 核心逻辑
@Override
public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        Class<?> clazz = null;

        // ===== 阶段一：查缓存 =====
        clazz = findLoadedClass0(name);       // 1) 本加载器已加载缓存
        if (clazz == null) {
            clazz = findLoadedClass(name);    // 2) JVM 全局已加载缓存
        }

        // ===== 阶段二：系统包过滤 =====
        if (clazz == null) {
            // 过滤器：javax.* / java.* / org.apache.catalina.* 等必须父加载
            String packageName = getPackageName(name);
            if (packageName != null && isPackageProtected(packageName)) {
                // 安全包 → 直接交给父加载器（不可被应用覆盖）
                clazz = parent.loadClass(name, false);
            }
        }

        // ===== 阶段三：本地优先（打破双亲委派的关键） =====
        if (clazz == null) {
            try {
                clazz = findClass(name);      // 先找 WEB-INF/classes 与 WEB-INF/lib
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // 忽略，继续
            }
        }

        // ===== 阶段四：兜底委托父加载器 =====
        if (clazz == null) {
            clazz = parent.loadClass(name, false);
        }

        // ===== 阶段五：resolve =====
        if (resolve && clazz != null) {
            resolveClass(clazz);
        }
        return clazz;
    }
}

2.2 与默认双亲委派的差异

步骤	默认 ClassLoader	WebappClassLoaderBase
缓存检查	有	有
委派父类	第一步	仅对系统包 / 兜底
本地加载	父类失败后	优先执行
系统包保护	无	有（javax.* 等）

一句话概括实现："系统包父优先，应用包本地优先，都不行再委派"。

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三、findClass：本地类查找

3.1 实现逻辑

// WebappClassLoaderBase.findClass()
@Override
public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    // 1. 查本地资源（WEB-INF/classes → WEB-INF/lib/*.jar）
    WebResource resource = resources.getClassLoaderResource(name);
    if (resource.isFile()) {
        // 2. 读取字节码
        byte[] classBytes = resource.getContent();
        // 3. 定义类
        return defineClass(name, classBytes, 0, classBytes.length);
    }
    // 4. 找不到 → 抛 ClassNotFoundException（由 loadClass 的兜底阶段接管）
    throw new ClassNotFoundException(name);
}

WebResourceRoot 维护资源查找顺序，getClassLoaderResource 的目录优先级：

1. /WEB-INF/classes          ← 应用类（最高优先级）
2. /WEB-INF/lib/*.jar        ← 应用依赖 Jar
3. 父加载器兜底（由 loadClass 处理）

3.2 资源查找：getResourceAsStream

// 与类查找对称的资源查找
public URL findResource(String name) {
    // 先本地资源，再委托父类（用于读取 properties、xml 等）
    WebResource resource = resources.getResource("/" + name);
    if (resource.isFile()) {
        return resource.getURL();
    }
    return super.findResource(name);
}

类与资源查找顺序一致：应用内的配置优先，避免被容器资源覆盖。

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四、包保护机制：isPackageProtected

4.1 保护列表来源

// 包保护判断
protected boolean isPackageProtected(String packageName) {
    // 读取 catalina.properties 的 package.definition
    // 常见受保护前缀：javax.、java.、org.apache.catalina. 等
    if (protectedPackages != null) {
        for (String p : protectedPackages) {
            if (packageName.startsWith(p)) return true;
        }
    }
    return false;
}

4.2 为什么要保护

如果应用在 WEB-INF/lib 里放置了自己的 javax.servlet-api 并成功加载，会出现：

• 容器与应用各有一份 HttpServletRequest，类型不互通
• 过滤器/监听器用应用版接口实现，容器传容器版实例 → ClassCastException

保护机制从源头杜绝了这种类分裂。

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五、JSP 类的加载

JSP 编译产物由 Jasper 放入 work/Catalina/<host>/<app>/org/apache/jsp/，由同一个 WebappClassLoader 加载：

// JspServlet / JspRuntimeContext 触发编译后
// 编译生成的 Servlet 类通过 context classloader 加载
Class<?> servletClass = cl.loader.loadClass(className);

流程：

JSP 文件
  → Jasper 编译（生成 .java → javac → .class）
  → 写入 work 目录
  → WebappClassLoader 加载编译类
  → 作为普通 Servlet 执行

JSP 更新检测：JasperManager 比较 JSP 文件时间戳与编译产物，变化则触发重新编译，旧类被丢弃——这依赖 WebappClassLoader 能释放旧类。

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六、类卸载与内存泄漏

6.1 卸载机制

Java 类无法显式卸载，只能依赖 类加载器被 GC 回收。Context 停止时：

// WebappClassLoaderBase.stop() / close()
public void stop() throws LifecycleException {
    // 1. 清除缓存
    clearReferences();          // 清理线程、ThreadLocal、静态引用等
    // 2. 释放资源
    resources.stop();
    ...
}

clearReferences() 是防泄漏的关键：扫描并清理

• 持有本加载器类的 ThreadLocal 值
• 运行中的线程（Threads 检查）
• 静态字段引用（通过 ObjectStreamClass 等手段尽力而为）

6.2 泄漏的本质

Context.stop()
  └─ WebappClassLoader 引用被外部持有（静态集合/长生命周期线程）
       └─ 类 → 常量池 → ClassLoader → 永不回收

排查思路：dump 堆找 WebappClassLoader 实例的引用链，定位持有者。

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七、WebappClassLoader 与 JDBC 驱动的特殊情况

JDBC 驱动注册进 DriverManager 是静态注册，驱动类若由 Webapp 加载，Context 卸载时驱动仍在 DriverManager 中（由系统加载器持有）→ 类泄漏。经典解法：

• 驱动放入 $CATALINA_HOME/lib（Common 加载器），应用卸载不影响
• 或 Context 关闭时显式 DriverManager.deregisterDriver()

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八、对比总结

维度	传统双亲委派	WebappClassLoader
查找顺序	父 → 子	缓存 → 系统包父 → 本地 → 父
隔离性	无（全 JVM 共享）	每应用独立
类型安全	—	系统包保护防止类分裂
卸载	不可控	Context 关闭后整体可回收
泄漏风险	低	高（引用持有导致）

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九、调试方法

手段	用途
-verbose:class	观察类由哪个加载器加载
jmap 堆 dump	定位 WebappClassLoader 引用链
jmap -clstats <pid>	各加载器加载类数量统计
Manager 应用	查看每个应用的类加载器层级
Psi-Probe	可视化类加载器树

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参考链接：

• WebappClassLoaderBase 源码
• Tomcat Class Loader HOW-TO