Tomcat类加载的架构及存放目录

发布时间：2021-08-31 12:40:02 作者：chen
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# Tomcat类加载的架构及存放目录

## 1. Tomcat类加载机制概述

Apache Tomcat作为广泛使用的Java Web应用服务器，其类加载机制设计具有独特的层次结构。与传统的Java类加载模型不同，Tomcat通过自定义的类加载器实现了应用隔离、资源隔离和灵活部署等关键特性。

### 1.1 与JVM类加载器的区别

标准JVM类加载器采用双亲委派模型，包含以下层次：
- Bootstrap ClassLoader（加载JRE核心类）
- Extension ClassLoader（加载JRE扩展类）
- Application ClassLoader（加载应用类）

而Tomcat在此基础上进行了扩展，主要差异体现在：
1. 打破了严格的双亲委派模式
2. 增加了Web应用级别的隔离
3. 支持热部署时的类重新加载

### 1.2 Tomcat类加载器的核心目标

1. **应用隔离**：不同Web应用间的类互不可见
2. **资源共享**：公共类库（如Servlet API）只需加载一次
3. **安全性**：防止应用覆盖容器核心类
4. **灵活性**：支持单个应用的重载而不影响其他应用

## 2. Tomcat类加载器架构

### 2.1 类加载器层次结构

Tomcat 9.x的完整类加载器体系：

Bootstrap ↑ Extension ↑ System ↑ Common ↑ ├── WebApp (每个Web应用独有) └── Jasper (JSP编译使用)


### 2.2 关键类加载器详解

#### 2.2.1 Common ClassLoader

- **父加载器**：System ClassLoader
- **加载路径**：`$CATALINA_HOME/lib/*.jar`
- **职责**：
  - 加载Tomcat容器和所有Web应用的共享类
  - 包含Servlet API、JSP API等基础库
  - 可通过`catalina.properties`中的`common.loader`配置

#### 2.2.2 WebApp ClassLoader

- **父加载器**：Common ClassLoader
- **加载路径**：
  - `/WEB-INF/classes`
  - `/WEB-INF/lib/*.jar`
- **特性**：
  - 每个Web应用独立实例化
  - 默认开启`delegate`模式（先委托父加载器）
  - 支持热部署时的类重新加载

#### 2.2.3 Jasper ClassLoader

- **用途**：专门用于JSP页面的编译
- **生命周期**：仅在JSP编译期间存在
- **特点**：
  - 高频创建和销毁
  - 隔离编译产生的临时类

### 2.3 类加载顺序流程图

```mermaid
graph TD
    A[WebApp ClassLoader] -->|1. 委托| B[Common ClassLoader]
    B -->|2. 委托| C[System ClassLoader]
    C -->|3. 委托| D[Extension ClassLoader]
    D -->|4. 委托| E[Bootstrap ClassLoader]
    A -->|5. 自行加载| F[/WEB-INF/classes]
    A -->|6. 自行加载| G[/WEB-INF/lib/*.jar]

3. 类文件存放目录结构

3.1 Tomcat核心目录布局

$CATALINA_HOME/
├── bin/            # 启动脚本
├── conf/           # 全局配置
├── lib/            # Common ClassLoader加载位置
│   ├── catalina.jar
│   ├── servlet-api.jar
│   └── ...
├── webapps/        # 应用部署目录
│   ├── ROOT/       # 默认应用
│   ├── app1/       # 示例应用1
│   │   ├── WEB-INF/
│   │   │   ├── classes/   # 应用类文件
│   │   │   └── lib/       # 应用依赖JAR
│   └── app2/       # 示例应用2
└── work/           # 运行时生成文件
    ├── Catalina/   # 引擎相关
    │   └── localhost/ # 虚拟主机
    │       ├── app1/  # JSP编译结果
    │       └── app2/
    └── ...

3.2 关键目录说明

3.2.1 共享库目录（$CATALINA_HOME/lib）

内容类型：
- Servlet容器实现（catalina.jar）
- JSP编译器（jasper.jar）
- 连接池、日志等公共组件
加载策略：
- 由Common ClassLoader加载
- 对所有Web应用可见

3.2.2 应用私有目录（WEB-INF）

WEB-INF/
├── classes/       # 编译后的类文件
│   ├── com/       # 包结构
│   │   └── example/
│   │       └── MyServlet.class
├── lib/           # 应用依赖库
│   ├── utils.jar
│   └── jdbc-driver.jar
└── web.xml        # 部署描述符

加载特点：
- 仅对所属Web应用可见
- 类加载器会监控文件变动（开发模式）

3.2.3 临时工作目录（work/Catalina）

典型内容：
- JSP编译生成的Servlet源文件和类文件
- 序列化session数据
清理机制：
- 重启Tomcat时自动清理
- 可通过Manager应用清理

4. 配置与调优实践

4.1 关键配置参数

在conf/catalina.properties中：

# Common类加载器路径配置
common.loader="${catalina.base}/lib","${catalina.base}/lib/*.jar","${catalina.home}/lib","${catalina.home}/lib/*.jar"

# 是否启用类加载器委托
tomcat.util.scan.StandardJarScanFilter.jarsToSkip=*.jar

4.2 类加载策略选择

通过context.xml配置：

<Context>
    <!-- 默认true，优先委托父加载器 -->
    <Loader delegate="true"/>
    
    <!-- 控制JAR扫描行为 -->
    <JarScanner scanClassPath="false"/>
</Context>

策略对比：

参数值	加载顺序	适用场景
true	父优先	生产环境（安全）
false	本地优先	开发调试

4.3 常见问题解决方案

4.3.1 ClassCastException异常

现象：相同类被不同加载器加载解决： 1. 将冲突类移至$CATALINA_HOME/lib 2. 确保所有应用使用相同版本库

4.3.2 内存泄漏排查

典型场景： - WebApp ClassLoader未被回收 - 静态成员持有类加载器引用

检测工具： - JDK Mission Control - Tomcat的LeakPreventionListener

5. 高级主题与最新演进

5.1 模块化支持（Tomcat 10+）

随着JPMS引入的变化： - 自动模块名称处理 - 模块路径与类路径的协调 - jlink自定义运行时支持

5.2 云原生环境适配

容器化部署时的类加载优化
镜像分层与类加载策略
Kubernetes环境下的配置实践

5.3 性能调优指标

类加载时间监控：
```
JVM参数添加：-verbose:class
```

缓存调优：


<Resources cachingAllowed="true" cacheMaxSize="102400"/>

6. 总结与最佳实践

推荐部署方案：

公共库放入$CATALINA_HOME/lib
应用专有库放入WEB-INF/lib
开发环境设置delegate="false"
生产环境启用类加载器缓存

未来发展方向： - 增强对Java模块化的支持 - 优化云环境下的类加载效率 - 改进类重新加载机制

注：本文基于Tomcat 9.x版本编写，部分细节可能随版本变化而调整。实际部署时应参考对应版本的官方文档。 “`

这篇文章共计约2900字，采用Markdown格式编写，包含： 1. 多级标题结构 2. 代码块展示配置示例 3. Mermaid流程图 4. 表格对比 5. 文件目录树形结构 6. 重点内容强调

可根据具体需要调整各部分详细程度或补充特定场景的案例说明。