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Tomcat 类加载器原理深度解析

news 2025/8/18 7:47:36

在了解 Tomcat 的类加载机制之前，我们先回顾一下 Java 类加载器的基本原理、层级结构和运行流程。这些知识是理解 Tomcat 自定义类加载器设计的基石。本文将首先介绍 Java 类加载器的基础概念及生命周期，然后探讨双亲委派机制、类加载器层次结构，最后深入解析 Tomcat 特有的类加载器设计、源码实现和热部署机制等高级内容。

1. Java类加载器基础原理

1.1 类加载器的核心作用

类加载器（ClassLoader）是 Java 虚拟机用来动态加载类文件的组件。它的核心作用是按需将 .class 文件中的字节码读取到内存中，并生成对应的 Class 对象，以便 JVM 执行程序。正如权威博客所述：“类加载器的主要作用就是动态加载 Java 类的字节码（.class 文件）到 JVM 中（在内存中生成一个代表该类的 Class 对象）”。同时，类加载器也可以加载 Java 程序需要的资源（如文本、图片等），不过本文重点关注类的加载与管理。

可以把类加载器比作图书馆的图书管理员：当程序需要某本书（类）时，类加载器会去查阅书库（磁盘或网络等），将书籍（字节码）带到阅读室（内存），并登记该书已被借出（生成 Class 对象）。这种按需加载的方式，使得 JVM 启动时无需将所有类一次性加载，节省了大量资源，并能动态支持在运行时添加或修改类。

1.2 类加载的生命周期

Java 类的生命周期包括 加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization） 等五个阶段，以及后续的使用和卸载阶段。这五个阶段按照以下顺序进行：

加载（Loading）：查找并读取 .class 文件，将其转换为字节流，最终形成类的二进制数据结构，并在方法区中生成相应的 Class 对象。
验证（Verification）：确保加载的字节码符合 JVM 规范，不会危害安全（校验字节码格式、类型正确性等）。
准备（Preparation）：为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值（0、null 等）。例如，static int i = 3; 在准备阶段会先把 i 初始化为 0。
解析（Resolution）：将常量池中的符号引用替换为直接引用，将类、接口、字段、方法的符号引用解析为内存地址等（动态链接）。
初始化（Initialization）：执行类的初始化代码，包括静态变量显式赋值和静态代码块（<clinit> 方法）。例如，对于 static final int i = 3; 这种声明，编译期会生成 ConstantValue 属性，将其在准备阶段赋值为 3。在初始化阶段，如果还有其他非 final 的静态赋值或者静态块，也在此执行。

这五个阶段严格有序开始，但解析阶段有时可以在初始化阶段之后进行，以支持运行时绑定。总的来说，类首先被加载到内存中，然后一系列链接工作依次完成，最后才会执行类的代码。只有在类被真正需要时（如创建对象、访问静态变量、调用静态方法等），JVM 才会触发上述流程，这样避免了不必要的加载和初始化开销。

1.3 类加载器的三大原则

Java 类加载器遵循三个原则：委托原则、可见性原则和唯一性原则：

委托原则（Delegation）：当一个类加载器收到加载请求时，它首先不会自己尝试加载，而是将这个请求委派给父加载器去完成。每一层类加载器均如此，最终都委托给顶层的引导（Bootstrap）类加载器。只有当父加载器无法完成加载请求时，子加载器才会尝试自己去加载。这种机制确保了核心库类（如 java.lang.Object）由最顶层加载器加载，避免了重复加载和潜在的安全问题。
可见性原则（Visibility）：一个类加载器所加载的类，对于它的子加载器是可见的；但反过来，子加载器加载的类对于父加载器是不可见的。类加载器之间形成了一棵父子树结构，父加载器加载的类可以被子加载器访问。这就好比图书馆的架构：上级图书馆（父加载器）藏书丰富，分馆（子加载器）可以访问上级的藏书，但上级却看不到分馆特有的藏书。
唯一性原则（Uniqueness）：在同一个 Java 虚拟机中，同一个类（完全限定名）在相同的类加载器中只会被加载一次。因为委托机制的存在，如果父加载器已经加载了某个类，子加载器就不会再加载同名类。这保证了相同的类只有一份定义在内存中，否则可能导致类型转换错误或安全问题。

这三原则共同保证了类加载的有序性、安全性和类唯一性。然而在某些特殊场景下（如需要多版本库隔离时），框架可以打破委托机制；例如 Tomcat 的 Web 应用类加载器就默认采用“先子后父”的加载策略，以允许不同 Web 应用使用不同版本的类库。

2. Java类加载器层级结构

在 Java 环境中，默认有三级类加载器构成树形层次结构：引导类加载器（Bootstrap）、扩展（或平台）类加载器（Extension/Platform） 和 系统（应用）类加载器（Application）。此外，开发者可以自定义类加载器。

2.1 BootstrapClassLoader

Bootstrap（引导）类加载器通常由 C/C++ 实现，用来加载 Java 核心库中的类（如 rt.jar 中的类）。由于它是最顶层的类加载器，当我们在 Java 代码中调用 String.class.getClassLoader() 等方法返回 null 时，意味着该类是由 Bootstrap 加载的。BootStrap 加载器加载包括 $JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar 和 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 下的类库。在 JDK 9+ 中，引导类加载器还负责模块化系统中的基础模块。

2.2 ExtensionClassLoader

扩展类加载器（在 Java 9 之前称为 ExtensionClassLoader，Java 9+ 称为 PlatformClassLoader）作为 Bootstrap 的子加载器，主要加载 JDK 的扩展目录中的类。例如，它会加载 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 或 java.ext.dirs 指定目录下的 JAR 文件。如果 Bootstrap 无法加载某个类，扩展加载器就会尝试去这些目录中查找并加载。它自身也可能被环境变量 java.ext.dirs 配置。

2.3 AppClassLoader

系统类加载器（也叫应用程序类加载器，Application ClassLoader）通常由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现，它的父加载器是 ExtensionClassLoader。系统加载器会根据环境变量 CLASSPATH 或命令行参数 -cp 指定的路径来加载应用程序的类和第三方库。Tomcat 启动脚本默认不会使用系统环境中的 CLASSPATH，而是通过 bootstrap.jar 来构建自己的系统类加载路径。

2.4 自定义类加载器

除了上述三级加载器，开发者可以继承 java.lang.ClassLoader 来实现自定义类加载器，以实现特殊需求（例如插件系统、网络加载等）。自定义加载器通常需要重写 findClass 方法，利用 defineClass 将字节码转换为 Class 对象。下面示例演示了一个基于文件系统的简单类加载器：

01. public class MyClassLoader extends ClassLoader {
02.     private final String classPath;  
03. 
04.     public MyClassLoader(String classPath) {
05.         this.classPath = classPath;  // 指定类文件根路径
06.     }
07. 
08.     @Override
09.     public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
10.         byte[] classData = loadClassData(name);
11.         if (classData == null) {
12.             throw new ClassNotFoundException(name);
13.         }
14.         // 将读取的字节码数据转换为 Class 对象
15.         return defineClass(name, classData, 0, classData.length);  // Line 15: 定义类
16.     }
17. 
18.     private byte[] loadClassData(String className) {
19.         // 将类名转换为文件路径，例如 "com.example.Hello" -> "com/example/Hello.class"
20.         String filePath = classPath + "/" + className.replace('.', '/') + ".class";
21.         try (InputStream is = new FileInputStream(filePath)) {
22.             byte[] data = new byte[is.available()];
23.             is.read(data);
24.             return data;
25.         } catch (IOException e) {
26.             return null;
27.         }
28.     }
29. }

示例解析：

第 2 行 定义了一个自定义类加载器 MyClassLoader，它保存一个根目录路径 classPath。
第 9–16 行 重写了 findClass 方法：首先调用 loadClassData 读取指定类名的字节码；如果找不到则抛出异常；否则调用 defineClass 将字节码转换为 Class 对象。
第 18–28 行 实现了 loadClassData 方法：它将类的全限定名转换为对应的文件系统路径，并读取 .class 文件的字节数据。

通过这个自定义加载器，我们可以在运行时从指定目录加载任意编译好的类，从而实现按需加载或插件机制。在自定义加载器中，可根据需要选择不同的父加载器，也可以改变委托方式（如不调用 super.loadClass，从而“打破”双亲委派）。Java 标准库也提供了 URLClassLoader 供常见用途使用，它可以加载来自指定 URL（目录或 JAR）的类和资源，无需自己编写文件读取逻辑。

3. 双亲委派机制原理与实现

3.1 委派机制的工作流程

双亲委派模型（Parent Delegation Model）规定：当一个类加载器收到类加载请求时，它不会立即自己加载，而是先将请求委托给父加载器。这一递归委托过程持续到最顶层的引导类加载器。如果父加载器成功加载了类，就返回该类；否则子加载器才会尝试自己加载。整个流程可以概括如下：

检查缓存：首先调用 findLoadedClass(name) 看看该类是否已经被当前加载器或者任何父加载器加载过，如果找到了直接返回。
委托父加载器：如果未加载过，则调用 parent.loadClass(name, false)（若父加载器为空则使用 findBootstrapClassOrNull(name)）。如果父加载器能成功加载，就返回该类。
本地加载：如果父加载器抛出 ClassNotFoundException 或返回 null，就调用当前加载器的 findClass(name) 方法尝试从本地仓库加载类。
解析：若调用时传入 resolve=true，还要对返回的类执行 resolveClass 将其解析链接。

下面是 JDK 默认 ClassLoader.loadClass 的伪代码实现（忽略异常处理细节），说明了这一流：

01. protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
02.     synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
03.         // 1. 检查类是否已加载过
04.         Class<?> c = findLoadedClass(name);                      // Line 04: 如果已加载过，直接返回
05.         if (c == null) {
06.             try {
07.                 if (getParent() != null) {
08.                     // 2. 父加载器先尝试加载
09.                     c = getParent().loadClass(name, false);       // Line 09: 委托父加载器加载
10.                 } else {
11.                     // 无父加载器时使用引导加载器
12.                     c = findBootstrapClassOrNull(name);
13.                 }
14.             } catch (ClassNotFoundException e) {
15.                 // 父加载器无法加载，则忽略异常，接下来再试自己加载
16.             }
17.             if (c == null) {
18.                 // 3. 父加载器无法加载时，调用本地 findClass 加载
19.                 c = findClass(name);                           // Line 19: 调用当前加载器的 findClass
20.             }
21.         }
22.         if (resolve) {
23.             resolveClass(c);                                    // Line 23: 解析类
24.         }
25.         return c;
26.     }
27. }

这段代码清晰地体现了双亲委派流程：先看缓存，再委托父加载器，最后才本地加载。Java 7 及以上版本为了支持并发加载，还引入了 getClassLoadingLock(name) 为每个类名提供锁对象。

这个模型有助于确保 Java 核心类库的唯一性和安全性（例如 java.lang.Object 始终由引导加载器加载，在整个 JVM 中只有一个定义）。委派机制使得应用程序无法随意替换核心类，实现了默认的类安全隔离。

3.2 委派机制的优势与局限性

优势：

类的唯一性和一致性：任何基础类（如 java.lang.Object、java.lang.String 等）都由引导加载器加载，无论哪个类加载器请求，最终都委托给顶层加载器加载。这样，整个应用中这个类只有一份定义，避免了类型混乱。例如，如果没有委派，恶意地在 ClassPath 中放一个与 Object 同名的类，系统可能会加载多份不同的 Object，导致 Java 类型体系崩溃。
安全性：使用双亲委派可以防止应用程序中的类篡改核心 API。如果恶意代码尝试定义一个与 JDK 核心类同名的类（例如自定义 java.lang.Integer），由于委派模型，这类请求最终会被引导加载器加载系统原生的版本，从而避免替换核心实现。
稳定性：委派机制让类加载流程简单明了，实现放在 ClassLoader 类的默认方法中。绝大多数情况下，遵循委派就能满足需求，而且遵守了 Java 设计者的建议。

局限性：

版本隔离困难：严格的父优先策略不易支持同一 JVM 中不同应用加载同名但版本不同的类库。例如，如果多个 Web 应用需要不同版本的同一第三方库，传统委派会加载第一请求到的版本，其他应用无法使用自己的版本。为了解决这一问题，一些容器或框架可以打破传统委派，采用先子后父的策略。Tomcat 的 Web 应用类加载器即如此设计：它默认先在自己仓库中查找类，只有找不到时才委派给父类加载器。这种方式使每个 Web 应用可以使用自己 WEB-INF/lib 中的库版本，实现了应用级别的类隔离，代价则是需要仔细管理哪些类需要共享、哪些类只能在本地加载。
安全风险（在特定场景）：虽然委派机制能防止核心类被替换，但如果业务需要动态加载用户提供的类（如 SPI、JDBC 驱动等），就可能与机制发生冲突。例如 SPI 模式下，接口由核心加载器加载，而实现类由应用加载，双亲加载器并不能自动找到实现类。这时必须借助线程上下文类加载器等机制绕开默认委派模型，将实现类加载器设置为当前线程的加载器，以便正确加载这类外部实现。

3.3 ClassLoader.loadClass() 源码解析

如上所示，ClassLoader.loadClass 方法的核心工作流程主要集中在 findLoadedClass、父加载器委派、findClass 等步骤。在 JDK8 中，ClassLoader 默认实现基本上就如示例伪代码。在 Tomcat 中，WebappClassLoaderBase 会对该机制进行调整。Tomcat 的文档指出，它的 loadClass 逻辑如下：

“如果 delegate 属性为 true，先调用父加载器的 loadClass；然后调用当前加载器的 findClass；然后再调用父加载器的 loadClass。如果 delegate 为 false（缺省），则先使用当前加载器加载，然后调用父加载器”。

换言之，Tomcat 的 Web 应用加载器默认是 子优先（delegate=false）：它会先调用自身的 findClass 方法尝试加载类，若未找到再委托给父加载器。如果设置 <Loader delegate="true"/>，则恢复为常规 父优先 模式。下面概括了这一策略：

子优先（默认）：WebappClassLoader.loadClass 会先检查本地缓存，再尝试在当前 Web 应用的类路径（WEB-INF/classes、WEB-INF/lib）查找类。如果找到直接返回；否则再委派给父加载器。
父优先：如果 <Loader delegate="true"/> 生效，则先由父加载器尝试加载，若失败再调用 findClass。

这一修改使得 Web 应用可以覆盖容器层级的类，从而支持应用隔离和灵活的库版本管理。例如，如果一个第三方库同时出现在 Tomcat 的 common 目录和某个 Web 应用的 WEB-INF/lib 中，在子优先模式下，Web 应用的版本会被优先加载，而父加载器只在应用本地没有时才使用全局库。

4. Tomcat类加载器体系设计

Tomcat 为满足 Servlet 规范要求和多应用隔离需要，设计了一套复杂的类加载器体系结构，形成了一个父子层级结构，并在其中适当打破默认委派策略，实现类隔离和资源共享的平衡。

4.1 Tomcat类加载器层级结构

正如 Tomcat 官方文档所示，Tomcat 启动后会创建多个类加载器，并将它们以如下父子层次关系组织：

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

Bootstrap 类加载器：加载 JVM 自带的核心类及 JDK 扩展目录下的类。通常是 C/C++ 实现，负责最基础的 Java 类加载。
System 类加载器：通常是针对 Tomcat 启动脚本里的 bootstrap.jar 等资源初始化的加载器，它可以加载 Tomcat 启动所需的类（如 bootstrap.jar、tomcat-juli.jar 等），对 Tomcat 内部和所有 Web 应用都可见。
Common 类加载器：位于系统加载器之下，用于加载更多的共享类库。这些类对 Tomcat 容器本身以及所有部署的 Web 应用都是可见的。Common 类加载器的搜索路径通过 $CATALINA_BASE/conf/catalina.properties 中的 common.loader 属性指定，通常包括 $CATALINA_BASE/lib、$CATALINA_HOME/lib 目录下的 JAR 文件等。
Webapp 类加载器：每个部署在 Tomcat 中的 Web 应用都会创建一个专有的 WebappClassLoader（继承自 WebappClassLoaderBase）。该加载器加载该 Web 应用的 /WEB-INF/classes 目录下的 .class 文件和 /WEB-INF/lib 下的 JAR 文件。对于该加载器来说，这些资源对于本应用是可见的，但对于其他 Web 应用而言则不可见。Webapp 类加载器的父加载器通常是 Common 类加载器（或 Container 类加载器），这样确保公共库可以共享，但同时各应用的私有库互不干扰。

可以看出，Tomcat 的设计将容器内部类与各 Web 应用隔离：Catalina 自身的类由一个独立的加载器（容器加载器）负责，Web 应用的类由各自的加载器负责，中间通过 Common 加载器加载共享库。这一结构类似于多图书馆模式：Common 类加载器就是主图书馆，存放公共书籍；每个 Web 应用有自己的分馆（WebappLoader），只保管自己的藏书。通过这种隔离设计，一个应用中使用的库版本不会影响其他应用，而公共库只加载一份，避免重复浪费。

4.2 类隔离与资源共享的实现

Tomcat 类加载器体系的核心目标是隔离各个 Web 应用，同时允许必要的资源共享：

类隔离：每个 Web 应用都有独立的 WebappClassLoader 实例，这些加载器互相之间是隔离的。也就是说，一个应用加载的类不会被另一个应用看到。这样可以避免不同应用之间的类冲突。例如，两个应用可以各自包含相同名称但不同版本的库文件，也不会互相干扰。在 Tomcat 中，启动每个 Web 应用时，会在它的执行线程中将当前线程上下文加载器设为对应的 WebappClassLoader，从而确保该线程所用的服务（如 JDBC、JNDI 等）优先使用应用级别的类。
资源共享：Common 类加载器存放所有应用共享的库，并被所有 Web 应用的加载器作为父加载器。这些共享库加载一次后对所有应用可见。比如 JDBC 驱动、日志实现等可以放在 Common 目录下，这样所有 Web 应用都能使用同一份代码，节省了空间且避免重复加载。此外，Tomcat 还提供可选的 SharedClassLoader（在旧版本中使用）来加载特定需要共享的库（例如 Spring、MyBatis 等），作为 Web 应用加载器的共同父加载器。这在需要让多个 Web 应用使用相同框架时非常有用。
打破双亲委派（Tomcat 特例）：如前所述，Tomcat 的 WebappClassLoader 默认采取“先本地后委派”的方式。它先在自己所属应用的 WEB-INF 目录查找类，而不是像普通类加载器那样直接委托父加载器。这样做是为了允许应用覆盖公共库的版本。例如，如果 Tomcat 的 Common 目录和应用的 WEB-INF/lib 同时包含了同名的 JAR，应用自带的版本会先被加载。Tomcat 官方文档明确指出：Web 应用类加载器会忽略所有包含 Servlet API 类的 JAR，并且不支持应用直接替换容器的关键实现包。其他加载器（Bootstrap、System、Common）仍然遵循常规的父优先委派模式。

4.3 类加载器的生命周期管理

在 Tomcat 中，类加载器也是一个生命周期组件，与 Web 应用的生命周期绑定。当一个 Web 应用启动时，Tomcat 为其创建并启动对应的 WebappClassLoader；当该应用停止或重新部署时，Tomcat 会调用该加载器的 stop() 方法并解除对它的所有引用，使之能够被垃圾回收销毁。例如，WebappClassLoaderBase 实现了 Tomcat 的 Lifecycle 接口，这意味着它可以接收容器发出的启动、停止事件。在停止过程中，Tomcat 会清理加载器所持有的资源（如关闭打开的 JAR 文件句柄、卸载对网络资源的引用等），以便类加载器及其加载的类可以被垃圾回收。理想情况下，这样可以实现 Web 应用的热部署：旧的类加载器及类被卸载，新的加载器载入更新后的类定义。

然而，由于 Java 的垃圾回收策略并不保证即时回收类和加载器，在热部署过程中可能发生内存泄漏：如果应用中存在静态引用或者后台线程未被停止，旧的类加载器无法被回收，导致类元数据一直占用内存。因此实际应用中需要谨慎使用自动重载功能（例如 reloadable="true"），并确保在停止应用时关闭所有线程和资源，才能实现干净的类卸载。后面我们会专门讨论热部署相关的问题和风险。

5. Tomcat类加载器源码深度解析

本节深入分析 Tomcat 核心类加载器的源码实现，包括 Catalina 启动时的初始加载器创建过程，以及 Web 应用层的加载器如 WebappClassLoaderBase 和 JasperLoader 的关键代码逻辑。

5.1 Bootstrap类加载器初始化流程

在 Tomcat 中，启动主类为 org.apache.catalina.startup.Bootstrap。这个类的作用是构建 Tomcat 容器内部使用的加载器，并启动服务器。其核心工作包括：解析命令行参数、构造包含所有 Tomcat server JAR 的类加载路径，以及创建并启动 Catalina 引擎。Tomcat 官方文档指出：

“Bootstrap 类为 Catalina 提供了引导加载器。它会构造一个类加载器用于加载 Catalina 内部类（将 server/ 目录下的所有 JAR 累积到类路径中），并启动容器。其目的是将 Catalina 内部类（以及它所依赖的类，例如 XML 解析器）排除出系统类路径，并对应用程序类不可见。”

也就是说，Tomcat 在 bootstrap.sh/bat 脚本中通过 bootstrap.jar 启动 Bootstrap，然后由它来创建“Common”加载器和容器内部的加载器（有时称为 CatalinaClassLoader）。这一步确保了 Tomcat 自身的类库不会无意中被放在系统类路径中，避免了与用户类路径的冲突。具体而言，Bootstrap 会把 $CATALINA_HOME/server/lib（Tomcat 7 及更早版本）或 $CATALINA_HOME/lib（Tomcat 8+）下的相关 JAR 添加到加载器路径中，随后通过反射调用 org.apache.catalina.startup.Catalina 的 load()、start() 等方法来启动服务器。

虽然具体代码较为复杂，但总体思路就是分层构造加载器：先由系统类加载器（AppClassLoader）加载 bootstrap.jar，然后在该加载器之下创建一个 URLClassLoader（Common 加载器）用于加载 Tomcat 公共库，最后再创建一个专门的加载器（Catalina 加载器）加载容器内部实现。此后，Catalina 加载器加载 org.apache.catalina.startup.Catalina，启动所有的服务。所以，Bootstrap 过程是 Tomcat 顶层加载器架构的初始化阶段。

5.2 WebappClassLoader核心方法分析

Tomcat 的 WebappClassLoaderBase（以及它的子类 WebappClassLoader）是处理 Web 应用类加载的核心。它继承自 URLClassLoader 并实现了 Tomcat 的 Lifecycle 接口。下面摘录其关键构造函数和 loadClass 方法，逐行解析关键逻辑（注：行号为示例标注，不代表真实源码行号）：

01. protected WebappClassLoaderBase() {
02.     super(new URL[0]);  // 调用父类URLClassLoader构造器，暂不指定任何URL
03.     // 获取父加载器（通常是SystemClassLoader）
04.     ClassLoader p = getParent();
05.     if (p == null) {
06.         p = getSystemClassLoader();
07.     }
08.     this.parent = p;    // 保存父加载器引用
09. 
10.     // 确定 javaseClassLoader 为扩展类加载器（ExtClassLoader）
11.     ClassLoader j = String.class.getClassLoader();
12.     if (j == null) {
13.         j = getSystemClassLoader();
14.         while (j.getParent() != null) {
15.             j = j.getParent();  // 循环找到最顶层加载器
16.         }
17.     }
18.     this.javaseClassLoader = j;  // 保存引导/扩展加载器引用
19. }

第 02 行：调用 URLClassLoader 的无参构造，暂时不设置任何类路径 URL；Tomcat 稍后会通过专用方法动态添加类路径。
第 04–08 行：获取父加载器，如果空则使用系统加载器，最终赋值给 this.parent。这样，WebappClassLoader 的父加载器通常是 Common 类加载器或者系统加载器。
第 10–18 行：这段代码尝试获取 JDK 核心的加载器（通常为扩展加载器）。String.class.getClassLoader() 如果返回 null，则说明是 bootstrap loader，在此基础上找到最顶层加载器。这一引用被保存到 javaseClassLoader，用于后续加载一些特殊类（如禁止被覆盖的 JDK 核心类）。

接下来是 loadClass 方法的核心逻辑，其中体现了 Tomcat 对双亲委派模型的调整：

@Override
public Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {synchronized (getClassLoadingLock(name)) {  // Line 1: 并发控制Class<?> clazz = null;// 1. 如果应用已停止，不再加载类（略）// 2. 检查是否已经加载过clazz = findLoadedClass0(name);if (clazz != null) {if (resolve) resolveClass(clazz);return clazz;}clazz = findLoadedClass(name);if (clazz != null) {if (resolve) resolveClass(clazz);return clazz;}// 3. 尝试由扩展/引导加载器加载（保护JDK核心类）String resourceName = binaryNameToPath(name, false);ClassLoader javaseLoader = getJavaseClassLoader();boolean tryJavaclass = false;try {URL url = (System.getSecurityManager() != null? AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<URL>() {public URL run() {return javaseLoader.getResource(resourceName);}}): javaseLoader.getResource(resourceName));tryJavaclass = (url != null);} catch (Throwable t) {tryJavaclass = true;}if (tryJavaclass) {try {clazz = javaseLoader.loadClass(name);  // Line 2: 扩展加载器尝试加载if (clazz != null) {if (resolve) resolveClass(clazz);return clazz;}} catch (ClassNotFoundException e) {// Ignored}}// 4. 根据 delegate 属性和过滤规则决定是否委派给父加载器boolean delegateLoad = delegate || filter(name, true);if (delegateLoad) {// 如果启用了 delegate 或符合过滤规则，先让父加载器加载clazz = Class.forName(name, false, parent);  // Line 3: 父加载器加载if (resolve) resolveClass(clazz);return clazz;}// 5. 子加载器（本Web应用）尝试加载clazz = findClass(name);  // Line 4: 本地加载if (!delegateLoad) {// 如果没有 delegate，加载完后仍然还要尝试父加载器clazz = Class.forName(name, false, parent);  // Line 5: 再次父加载}if (resolve) resolveClass(clazz);return clazz;}
}

解析：

检查缓存：前几行（findLoadedClass0 和 findLoadedClass）先在本地和父加载器缓存中查找是否已加载。如果已加载就直接返回。
保护核心类：接着，代码尝试让引导/扩展加载器先加载类，防止核心 JDK 类被 Web 应用篡改。如果该加载器能找到此类，则直接返回它。
delegate 策略：计算 delegateLoad = delegate || filter(name,true)，如果 delegateLoad 为 true，则调用 parent.loadClass 加载（其实这里使用 Class.forName(name,false,parent)）。这对应了 <Loader delegate="true"/> 或者一些列特殊 JAR（Tomcat 内部标准库）的处理。
本地加载：如果不委派或父加载失败，则调用 findClass(name) 在当前 Web 应用的类路径中查找类。这一步允许应用覆盖通用库。
最后尝试父加载：若当前 loader 先加载完后仍未成功，则最后一次调用父加载器尝试加载类。

整体来看，Tomcat 的 WebappClassLoader.loadClass 实现利用了双亲委派和子优先的混合策略。在默认模式下，Web 应用自己的类路径优先级更高；但对于核心库、常见框架等则保留了委派机制，确保 JDK 安全性和容器正常运行。此加载逻辑支持热部署和类隔离，但也导致类加载路径相对复杂。下面再看一个专门用于 JSP 加载的 JasperLoader 的简化源码片段：

public class JasperLoader extends URLClassLoader {@Overridepublic synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {// 1. 检查是否已加载过Class<?> clazz = findLoadedClass(name);  // Line 6if (clazz != null) {if (resolve) resolveClass(clazz);return clazz;}// 2. 如果不是JSP类，则委派给父加载器if (!name.startsWith("org.apache.jsp.")) {clazz = getParent().loadClass(name);   // Line 12: 父加载器加载非JSP类if (resolve) resolveClass(clazz);return clazz;}// 3. JSP相关类使用本地查找return findClass(name);  // Line 17: JSP类由自身查找加载}
}

解析： JasperLoader 专门用于加载由 JSP 编译生成的 Servlet 类，它将类名为 org.apache.jsp.* 的内容视为 JSP 特有的类。对于这类 JSP 类，它直接调用 findClass 在自己的 URL 路径（通常指向 work/ 目录）中加载；而对于其他类，它则一律委派给父类加载器。这种特殊逻辑保证 JSP 类由 JSP 特定的加载器来处理，与其他 Web 应用类分隔开，不互相干扰。

6. 热部署与类加载器的关联

Tomcat 支持应用热部署（热载入）功能，即在不关闭服务器的情况下更新 Web 应用。其实现原理与类加载器密切相关：每次部署或重载一个 Web 应用时，Tomcat 会为其创建一个新的 WebappClassLoader 来加载应用的类，而不复用旧的加载器。这样，原应用的类由旧加载器持有，新的类由新加载器持有，两者互不干涉。最终，当旧的 Web 应用停止后，旧加载器将被清理（只要没有外部引用），其加载的类就可以被垃圾回收。

6.1 热部署的实现原理

Tomcat 的热部署更像是热替换：当检测到应用资源变化（如开发环境下设置了 reloadable=true），Tomcat 会执行以下步骤：

调用应用的停止（stop()) 方法并释放所有资源。
销毁旧的 WebappClassLoader 实例，使之不再被持有。
创建新的 WebappClassLoader，重新加载更新后的应用类和资源。
启动新的应用实例。

整个过程中，重新加载使用了新的类加载器，所以代码和资源的变更能够即时生效。Tomcat 官方及开源社区多次提到：热部署的关键在于自定义类加载器的使用。每次重载都会产生新的加载器实例，将旧的加载器及其类定义交由 JVM GC。

6.2 类卸载与 GC 机制

类的卸载是 JVM 在特定条件下才可能进行的操作，关键条件包括：

类加载器没有任何可达引用：只有当类加载器本身可被垃圾回收时，它所加载的类才有机会卸载。
该类的所有实例被垃圾回收：类所对应的实例对象在堆中也必须没有任何可达引用。
类的 Class 对象没有被任何地方（静态字段、常量池引用等）引用。

只有同时满足以上条件，JVM 才可能卸载类。一般情况下，Bootstrap 和 System/Extension 加载的类很难卸载（因为它们的加载器长期驻留）；只有由应用级或自定义加载器加载的类有可能卸载，但也取决于是否满足条件。可见，类卸载并不容易受到控制，Tomcat 的热部署要想真正释放旧类，除了替换加载器，还需要保证应用没有残留的静态引用、线程或者 JDBC 等资源。

6.3 热部署的性能与风险

虽然热部署提高了开发效率，但也带来一定风险和性能开销：

内存泄漏风险：如果应用停止时未正确清理资源，旧加载器中的类和静态变量会被强制保留。长时间频繁热部署可能导致 PermGen/MetaSpace 空间不断增长，引发 OutOfMemoryError。
性能开销：每次重载都需要创建新的加载器和类定义，容器要重新解析所有类；同时旧加载器的垃圾回收也要等待更久。这会增加 CPU 和内存压力。在生产环境中，频繁热部署可能影响服务器稳定性。
依赖一致性：某些资源（如文件锁、JDBC 连接池等）如果没有随应用一起停止并释放，也会导致问题。因此实际生产中常建议关闭 reloadable 功能，并通过自动化部署脚本来重启应用。

总之，Tomcat 的热部署是通过替换类加载器来实现的，拥有即时更新的便利，但也需要谨慎管理应用资源，避免内存泄露等副作用。

7. 实战案例与问题排查

最后，我们结合实际问题，讨论常见的类加载器相关问题及解决方法。

7.1 类冲突问题的定位与解决

类冲突通常表现为 ClassCastException、NoSuchMethodError、LinkageError 等。例如，如果两个不同的加载器加载了相同全限定名的类，JVM 会认为它们是不同的类，互不兼容。常见场景包括：

Web 应用误将 Servlet API 等容器提供的库包含在内：Tomcat 默认会忽略 Web 应用下的任何含有 Servlet API 的 JAR，因为容器本身提供这些类。这意味着如果你在 WEB-INF/lib 放了 servlet-api.jar，Tomcat 不会加载它；而且这会导致类冲突或加载失败。因此，正确做法是不要在应用中包含这些容器依赖的库。
共享库加载冲突：如果某个库同时出现在 Common 加载路径和某个 Web 应用的 WEB-INF/lib 中，就可能产生冲突。在默认子优先模式下，Web 应用使用自己的版本；而在配置了 <Loader delegate="true"/> 时，则以 Common 加载器中的版本为主。为避免困扰，应该将通用依赖放在 Common 中，应用特有依赖放在 WEB-INF/lib 中，并保持一致。
多个 Web 应用间冲突：由于 Tomcat 默认隔离 Web 应用，这类冲突较少见。但如果使用了共享类加载器（如 Tomcat 5/6 的 SharedClassLoader），多个应用使用共享库时要注意版本兼容。

定位这类问题的关键是查看异常栈中报错的类加载器（异常信息通常会显示加载器类名）和类的来源路径。解决思路往往包括：调整 JAR 放置位置、修改 <Loader> 配置、清除冗余的依赖包，以及根据 Tomcat 文档规定的搜索顺序合理分配资源。

7.2 自定义类加载器的实践

在实际项目中，我们经常会用自定义类加载器来实现插件加载、模块化、动态更新等功能。例如，假设我们有一个插件机制，需要在运行时加载外部提供的 JAR 并调用其中的类。可以使用 URLClassLoader 结合线程上下文加载器来实现：

01. // 假设 plugin.jar 是外部插件包
02. File pluginJar = new File("/path/to/plugin.jar");
03. URL pluginURL = pluginJar.toURI().toURL();                   // Line 2: 将文件转换为URL
04. URLClassLoader loader = new URLClassLoader(new URL[]{pluginURL}, 
05.                                         Thread.currentThread().getContextClassLoader());  // Line 4: 新建 URLClassLoader
06. Class<?> pluginClass = loader.loadClass("com.example.PluginImpl"); // Line 5: 加载插件类
07. Object pluginInstance = pluginClass.getDeclaredConstructor().newInstance();  // Line 6: 实例化插件类
08. // 使用插件实例进行后续业务逻辑

示例解析：

第 04–05 行：创建了一个 URLClassLoader，它的类路径指向插件 JAR，并指定当前线程的上下文类加载器为父加载器。这种做法可以兼顾插件隔离和共享主应用的核心类。
第 06 行：使用 loader.loadClass 加载插件中指定类。此时该类会由新的加载器载入，而不是父加载器加载，从而允许插件与主应用使用不同版本的库。
第 07 行：通过反射实例化插件类并调用方法，将插件功能集成到应用中。

在复杂系统中，也可能实现自定义的 ClassLoader 子类，如隔离类加载器（IsolatingClassLoader）等，用以精细控制类的查找和缓存。无论哪种方式，核心思路都离不开上一节介绍的 findClass、defineClass 等机制，并配合线程上下文类加载器来确保框架代码能够正确找到业务类。

7.3 类加载器相关 JVM 参数调优

针对类加载器和类加载行为，JVM 提供了一些启动参数用于调整和调试：

-Xbootclasspath:[path]：修改引导类加载器加载的路径。-Xbootclasspath/a 可以在原有引导类路径后附加；-Xbootclasspath/p 可以在前面插入。慎用：不正确地修改引导类路径可能导致系统类被错误替换。
-Djava.system.class.loader=<classname>：指定系统（应用）类加载器的具体实现类，允许用自定义类加载器替代默认的 AppClassLoader。
-Djava.ext.dirs=<dirs>：设置扩展类加载器的搜索目录（取代默认的 $JAVA_HOME/jre/lib/ext）。
-Djava.class.path=<path>：指定系统类加载器的类路径（等同于 -cp）。
-verbose:class：打印类加载信息，对调试类加载过程非常有用。
-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnloading：跟踪类的加载和卸载过程。
内存空间参数：在 Java 8 及以前，PermGen（持久代）大小可以通过 -XX:PermSize / -XX:MaxPermSize 调整。在 Java 8 之后，PermGen 被元空间（Metaspace）取代，可通过 -XX:MetaspaceSize / -XX:MaxMetaspaceSize 控制，用于调优类元数据内存。
其他与调试相关：如 -XX:+DisableExplicitGC（禁止显式 System.gc），确保类加载器资源及时回收；-XX:+EliminateLocks（锁消除），在多线程加载时可能略有帮助。