Tomcat 啟動流程與類加載機制

1. 引言

Tomcat 的啟動不僅僅是簡單的 java -jar 或 catalina.sh start。
它背后包含 Bootstrap 啟動器、Catalina 控制器、Server/Service/Connector/Container 初始化 等關鍵步驟。

另一方面，Tomcat 為了支持 熱部署、不同應用間類隔離，設計了 破壞雙親委派機制的類加載模型，這是 Java Web 容器的核心機制。

本篇我們將從 啟動流程 和 類加載機制 兩方面，全面剖析 Tomcat 內核。

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2. Tomcat 啟動流程總覽

Tomcat 的啟動過程主要分為以下幾個階段：

1. Bootstrap 初始化

   • 加載 catalina.properties
   • 初始化 Tomcat 的類加載器體系

2. Catalina 初始化

   • 創建 Catalina 對象
   • 解析 server.xml 配置文件

3. Server 與 Service 構建

   • 創建 StandardServer
   • 創建 StandardService，并綁定 Connector 與 Container

4. 啟動 Server

   • 調用 server.start()
   • 啟動 Service → 啟動 Connector（協議監聽） & Container（加載 Web 應用）

👉 流程圖：

Bootstrap↓
Catalina↓
Server (StandardServer)↓
Service (StandardService)↓
Connector + Container↓
應用可對外提供服務

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3. 啟動入口：Bootstrap

Tomcat 的入口類是 org.apache.catalina.startup.Bootstrap：

public final class Bootstrap {public static void main(String[] args) {Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();bootstrap.init();bootstrap.start();}
}

主要步驟：

1. init()

   • 加載系統屬性、解析配置文件
   • 創建類加載器：CatalinaClassLoader

2. start()

   • 反射調用 org.apache.catalina.startup.Catalina 的 load() 方法
   • Catalina 進一步加載 server.xml 并初始化 Server

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4. Catalina 控制器

org.apache.catalina.startup.Catalina 是 Tomcat 的 核心控制器，負責解析配置文件并啟動 Server：

public void load() {Digester digester = createStartDigester(); // XML 解析器InputSource inputSource = getConfigFile("server.xml");digester.parse(inputSource); // 解析 server.xmlserver = (Server) digester.getRoot();
}

• 使用 Digester（基于 SAX 的 XML 解析器）解析 server.xml
• 創建 Server → Service → Connector/Container 的對象模型
• 保存到內存，供后續啟動調用

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5. Server 與 Service 初始化

Tomcat 的核心組件是通過 server.xml 配置加載的：

<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN"><Service name="Catalina"><Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"/><Engine name="Catalina" defaultHost="localhost"><Host name="localhost" appBase="webapps"/></Engine></Service>
</Server>

• Server：代表整個 Tomcat 實例
• Service：將 Connector 和 Container 組合
• Connector：監聽端口、接收請求
• Container：四層容器體系（Engine → Host → Context → Wrapper）

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6. Server 啟動流程

當調用 server.start() 時：

1. Server.start() → 啟動所有 Service
2. Service.start() → 啟動 Connector 和 Container
3. Connector.start() → 打開端口，開始監聽 HTTP/AJP 請求
4. Container.start() → 加載 Web 應用，初始化 Servlet

源碼片段：

public class StandardServer extends LifecycleBase {@Overrideprotected void startInternal() throws LifecycleException {for (Service service : services) {service.start(); // 啟動 Service}}
}

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7. Tomcat 的類加載機制

普通 Java 程序的類加載遵循 雙親委派機制：

BootstrapClassLoader↓
ExtClassLoader↓
AppClassLoader↓
用戶自定義類加載器

但是 Tomcat 必須滿足：

• 不同 Web 應用類相互隔離
• 公共類（如 Servlet API）在所有應用共享
• 支持熱部署、重新加載

因此 Tomcat 打破了雙親委派，設計了 多層類加載器模型。

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8. Tomcat 類加載器體系

Tomcat 的類加載器層次：

1. Bootstrap ClassLoader（JVM 內置，加載 rt.jar 等）
2. System ClassLoader（AppClassLoader）
3. CommonClassLoader（加載 $CATALINA_HOME/lib）
4. CatalinaClassLoader（加載 Tomcat 自身核心類）
5. SharedClassLoader（應用共享類）
6. WebAppClassLoader（應用私有類，加載 WEB-INF/classes 和 WEB-INF/lib）

👉 層次關系圖：

BootstrapClassLoader↓
SystemClassLoader↓
CommonClassLoader├── CatalinaClassLoader (Tomcat 內部類)├── SharedClassLoader (共享庫)└── WebAppClassLoader (應用隔離)

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9. 破壞雙親委派的實現

Tomcat 的 WebAppClassLoaderBase 重寫了 loadClass 方法：

@Override
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {// 1. 先從緩存中找Class<?> clazz = findLoadedClass(name);if (clazz == null) {try {// 2. 先自己嘗試加載clazz = findClass(name);} catch (ClassNotFoundException e) {// 3. 加載不到再交給父加載器clazz = super.loadClass(name, resolve);}}return clazz;
}

區別：

• 普通類加載器：先父后子（雙親委派）
• Tomcat WebAppClassLoader：先子后父（保證 Web 應用的私有類優先加載）

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10. 類加載機制的應用場景

• Servlet API：在 CommonClassLoader 中加載，供所有應用共享
• 第三方依賴（例如 Spring Jar 包）：放在 WEB-INF/lib，由 WebAppClassLoader 加載，避免沖突
• 熱部署：通過銷毀并重建 WebAppClassLoader 實現

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11. 總結

在本篇中，我們詳細剖析了：

1. 啟動流程

   • Bootstrap 初始化 → Catalina 控制器 → Server/Service → Connector/Container

2. 類加載機制

   • 普通雙親委派 vs Tomcat 類加載模型
   • WebAppClassLoader 打破雙親委派，保證應用隔離

3. 應用價值

   • 支持多應用隔離
   • 支持熱部署
   • 保證公共 API 的統一性

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