剖析 Tomcat 应用中并行流引发的类加载陷阱

见解分享

2023-09-03 05:22:54

随着 Java 8 的日益普及，并行流作为一项强大的并发编程工具，因其简便性和高性能而被广泛应用。它通过将任务分解为更小的子任务，并通过多线程同时执行这些子任务，从而提高了应用程序的整体执行效率。

然而，在使用并行流时，开发人员可能会遇到一个令人费解的问题：在 Tomcat 容器中运行的应用程序中使用并行流时，可能会出现动态加载类失败的情况。这不仅会影响应用程序的正常运行，还会给故障排除带来巨大的挑战。

分析问题成因

为了解决这一问题，我们需要深入了解并行流的工作原理以及 Tomcat 应用程序的类加载机制。

并行流的工作原理

并行流通过将任务分解为更小的子任务，并使用多线程同时执行这些子任务来实现并发执行。为了实现这一点，Java 虚拟机采用了“分而治之”的策略，将任务分解为更小的子任务，然后将这些子任务分配给不同的线程执行。

Tomcat 的类加载机制

在 Tomcat 容器中，应用程序的类加载是由一系列类加载器完成的。类加载器是一个负责将类文件加载到 Java 虚拟机中的组件。在 Tomcat 中，应用程序的类加载器主要包括：

Bootstrap 类加载器 ：负责加载 Java 虚拟机的核心类。
扩展类加载器 ：负责加载 Java 虚拟机的扩展类。
系统类加载器 ：负责加载系统类和用户自定义类。
Web 应用类加载器 ：负责加载 Web 应用程序的类。

定位问题根源

在了解了并行流的工作原理和 Tomcat 的类加载机制后，我们可以开始定位问题根源。

问题复现

首先，我们可以在 Tomcat 中运行一个简单的应用程序来复现问题。例如，我们可以创建一个简单的 Servlet，并在其中使用并行流来处理一个列表。

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class MyServlet extends HttpServlet {
    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

        numbers.parallelStream()
                .map(n -> n * 2)
                .forEach(System.out::println);
    }
}

定位问题原因

当我们运行这个 Servlet 时，可能会遇到以下错误：

java.lang.ClassNotFoundException: com.example.MyClass

这个错误表明，在并行流中使用的 MyClass 类没有被正确加载。通过分析 Tomcat 的源码，我们可以发现，当并行流执行时，Java 虚拟机会创建一个新的线程来执行子任务。这个线程的类加载器是 AppClassLoader，它负责加载 Web 应用程序的类。

但是，在 Tomcat 中，AppClassLoader 无法加载位于 WEB-INF/classes 目录之外的类。因此，当并行流试图加载 MyClass 类时，它会失败。

解决问题方案

要解决这个问题，我们可以将 MyClass 类放在 WEB-INF/classes 目录下，或者使用 ServletContext 的 getResourceAsStream() 方法来加载该类。

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class MyServlet extends HttpServlet {
    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

        ServletContext context = getServletContext();
        InputStream is = context.getResourceAsStream("/WEB-INF/classes/com/example/MyClass.class");
        Class<?> myClass = Class.forName("com.example.MyClass", true, new URLClassLoader(new URL[]{is.toURI().toURL()}));

        numbers.parallelStream()
                .map(n -> myClass.newInstance().doSomething(n))
                .forEach(System.out::println);
    }
}