Java Web应用升级故障案例解析

在一次Java Web应用程序的优化升级过程中，从Tomcat 7.0.109版本升级至8.5.93版本后，尽管在预发布环境中验证无误，但在灰度环境中却发现了一个令人困惑的问题：新日志记录神秘"失踪"。本文深入探讨了这一问题的排查与解决过程，揭示了由Tomcat升级引发的不寻常日志记录故障背后的技术细节。

问题现象

在最近的一次优化需求中，对一个Java的Web应用做如下变更：

1. tomcat升级：7.0.109 => 8.5.93

2. pom中的部分依赖版本更新

本次变更在预发环境验证没问题，而在部署到灰度环境后，发现灰度机器上没有新的日志记录产生了。

问题排查

▐ 排查思路

对于没有日志记录的问题有以下排查方向：

1. 看启动日志是否有明显报错，通过分析报错来定位原因

2. 看还有没有请求流量，判断是否由于没有流量导致的

3. 排查机器是否还有足够的存储空间，判断是否因为磁盘空间不足导致写不进去

4. 检测日志记录的代码是否正确执行

1-3经过验证可以排除掉了，所以现在登上问题机器，通过Arthas来对代码执行逻辑进行排查。

▐ 排查代码

• 首先检查logger实例是否生成

通过arthas的watch命令（推荐安装arthas idea插件来快速生成命令），可以看见日志类（org.slf4j.impl.Log4jLoggerAdapter）是存在的，所以可以排除由于缺少logger实例导致没打印日志的可能。

• 日志打印逻辑是否被执行

因为并不是调用log方法就一定会打印，比如日志等级的设置、执行异常等原因都会导致不打日志，所以要检查日志组件的log方法是否被正确执行。

通过arthas的trace命令可以看见（下图所示），确实执行了日志组件org.apache.log4j.log()方法且没有报错。（ 注意这里ClassLoader是ParallelWebappClassLoader，即Tomcat的自定义的ClassLoader）

由于应用中引入的log4j是1.4编译的jar包，trace命令是基于javaagent技术重新编译字节码, 而Instrumentation只对1.6以上编译的类支持字节码操作，所以报错UnsupportedClassVersionError，导致无法继续下钻了。

上面看似一切正常，其实到这里问题原因已经浮现：第一步Logger对象Log4jLoggerAdapter和第二步的org.apache.log4j.Logger, 都在表明现在用的日志组件是log4j，而此应用上只有logback的配置文件。

那么Log4jLoggerAdapter日志对象是怎么生成的了?

通过对生成的Logger对象的LoggerFactory.getLogger()方法进行分析，最终定位Log4jLoggerAdapter是由org.slf4j.impl.StaticLoggerBinder生成。

通过arthas sc -d <classname> 命令，我们查找StaticLoggerBinder是从那个jar包引入的。通过上面排查信息我们最终定位classLoader为ParallelWebappClassLoader一项。

在问题机器上StaticLoggerBinder类属于slfj-log4j12-1.7.7jar包，而正常机器如下图所示是属于logback-classic-1.2.3.jar

也就是说正常机器使用的logback-classic-1.2.3.jar提供的StaticLoggerBinder，问题机器使用的slfj-log4j12-1.7.7提供的StaticLoggerBinder。最终导致生成的日志组件不同。

• 总结

问题机器上存在log4j和logback两个jar包，同时两个jar包都存在org.slf4j.impl.StaticLoggerBinder类，基于某种原因最终加载了log4j（预期logback）的StaticLoggerBinder类，从而使用了log4j日志组件，而应用没有log4j相关的配置，最终导致没有日志输出。

接下来需要对这个某种原因进行分析，找出问题的本质。

根因分析

▐ 问题拆解

想要完全回答是什么原因导致最终加载log4j日志组件，可以基于时间顺序提出3个关键问题：

1. 哪些jar包在什么时候会被导入到web应用中？

2. 什么时候由谁去加载类文件？

3. 加载类时如何选择从那个jar包读取？

• Jar包如何被导入

我们知道java程序，首先要编写java文件，然后javac编译成class字节码文件(或再打成jar包)，然后由jvm的类加载器基于双亲委派机制导入到内存中。

对于tomcat的web应用来说, 并不是通过java直接运行一个jar包，而是会先打成war包，然后将war包部署到机器的webapp目录下，最后tomcat运行时会读取和运行webapp目录下的文件。war包结构如下：

WEB-INF:

-lib // 依赖的jar包

-class //本项目代码编译后的.class文件

-web.xml // 全局配置文件

index.html //静态资源

在maven项目，可以通过在pom文件中定义依赖，然后由maven打包插件maven-war-plugin来生成war包，依赖的jar包也就在此时打进war包的lib目录下。

是不是所有pom定义的jar包都会被打进去lib文件夹里面？

并不是，比如pom中主动排掉的包或者由于冲突被maven仲裁掉的包，打包时都会被过滤掉。而本次涉及两个日志组件依赖即没有冲突，也没有被显示排除，所以都会被打到lib目录中。

<dependency>
  <groupId>ch.qos.logback</groupId>
  <artifactId>logback-classic</artifactId>
  <version>1.2.3</version>
</dependency>

<dependency> 
  <groupId>org.slf4j</groupId>  
  <artifactId>slf4j-log4j12</artifactId>  
  <version>1.7.7</version> 
</dependency>

总结：由于两个日志组件jar包坐标不一样，不会被因为版本冲突被仲裁，都会被maven打包插件打进到war包中，供tomcat后续使用。

• 类如何被加载

从类的加载机制可知，在new、getstatic、putstatic、invokestatic等字节码命令或反射调用都会触发类的加载，此时会由类加载器找到class文件并导入到jvm内存中，再经过验证、准备、解析和初始化等阶段，最终完成类的加载。此过程两个关键知识点:

1. 每个类加载器都有自己独立的存储空间，所以类加载器+类全限定名才能确定唯一的类。

2. 类加载默认遵循双亲委派机制，这样可以避免类重复加载，也可以避免一些核心类被篡改。

但是在tomcat，由于可以部署多个应用，每个应用可能会存在jar包冲突。所以需要打破双亲委派机制，来达到基于应用的jar包隔离。

所以tomcat会为每个webApp创建一个ParallelWebappClassLoader实例，此实例会优先进行类加载，查找不到再委派给父类查找。

总结：一些特殊命令(如new创建实例、调用反射方法）会触发类的加载，而在tomcat应用中，类会由tomcat自定义的ClassLoader优先进行加载。

• 类加载时的Jar包选择

上面分析知道机器上会存在两个不同的日志组件jar包，同时类是由tomcat优先加载的，所以可以合理怀疑新老机器使用不同的日志组件问题，是因为tomcat7和tomcat8类加载机制不一致导致的。

下面对Tomcat的ParallelWebappClassLoader源码进行分析，找出类如何被加载的。以下是用于排查问题的快速分析方法，并没有逐行分析源码，所以只列出关键代码片段解释分析思路。

• Tomcat7

从ParallelWebappClassLoader中直接找类查找方法, 即WebappClassLoaderBase#findClass方法，再定位到其内部findClassInternal方法。

我们主要关心Class是怎么生成，所以这个方法会先找到片段2和片段3，知道当entry.loadedClass存在直接返回，不存在则基于entry进行初始化，留意下初始化时的关键属性entry.codeBase。

所以下一步找entry从哪来的，定位到片段1，接下来看findResourceInternal方法。

// name为类的全限定名
protected Class<?> findClassInternal(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 片段1
        ResourceEntry entry = findResourceInternal(name, path, true);
        // 片段2
        Class<?> clazz = entry.loadedClass;
        if (clazz != null)
            return clazz;
        // 片段3
        try {
            clazz = defineClass(name, entry.binaryContent, 0,
                    entry.binaryContent.length,
                    new CodeSource(entry.codeBase, entry.certificates));
        } catch (UnsupportedClassVersionError ucve) {
            throw new UnsupportedClassVersionError(
                    ucve.getLocalizedMessage() + " " +
                            sm.getString("webappClassLoader.wrongVersion",
                                    name));
        }
        entry.loadedClass = clazz;
        entry.binaryContent = null;
        entry.codeBase = null;
        entry.manifest = null;
        entry.certificates = null;
    }

WebappClassLoaderBase#findResourceInternal

同样主要关心ResourceEntry是怎么生成的。

片段1可知先从resourceEntries这个本地缓存取，那么我们要看的就是缓存何时写的，也就是找put方法，定位片段3，即是在本方法完成了写入，所以往上找entry初始化位置，即片段2。

前面提到过类的初始定义关键是codeBase（jar包的物理绝对路径），所以我们要看jarRealFiles这个数组的数据从哪来，从而定位到addJar方法，以及调用addJar的setRepositories方法。

protected ResourceEntry findResourceInternal(final String name, final String path, final boolean manifestRequired) {
        // 片段1
        ResourceEntry entry = resourceEntries.get(path);
        if (entry != null) {
            return entry;
        }
        // 片段2
        try {
            entry.codeBase = getURI(jarRealFiles[i]);
            entry.source =
                    UriUtil.buildJarUrl(entry.codeBase.toString(), jarEntryPath);
            entry.lastModified = jarRealFiles[i].lastModified();
        } catch (MalformedURLException e) {
            return null;
        }
        
        // 片段3
        synchronized (resourceEntries) {
            // Ensures that all the threads which may be in a race to load
            // a particular class all end up with the same ResourceEntry
            // instance
            ResourceEntry entry2 = resourceEntries.get(path);
            if (entry2 == null) {
                resourceEntries.put(path, entry);
            } else {
                entry = entry2;
            }
        }


    }

WebappLoader#setRepositories

我们从片段3中addJar方法往上找，可以看见addJar的关键参数destFile是来源片段2中libDir.list("")，同时片段1中libPath就是我们存放jar包的位置。

所以看libDir.list中怎么实现。

private void setRepositories() throws IOException {
        // 片段1
        String libPath = "/WEB-INF/lib";


        classLoader.setJarPath(libPath);


        DirContext libDir = null;
        // Looking up directory /WEB-INF/lib in the context
        try {
            Object object = resources.lookup(libPath);
            if (object instanceof DirContext)
                libDir = (DirContext) object;
        } catch (NamingException e) {
            // Silent catch: it's valid that no /WEB-INF/lib collection
            // exists
        }
        // 片段2
        enumeration = libDir.list("");
        while (enumeration.hasMoreElements()) {
            NameClassPair ncPair = enumeration.nextElement();
            File destFile = new File(destDir, ncPair.getName());


            // 片段3
            try {
                JarFile jarFile = JreCompat.getInstance().jarFileNewInstance(destFile);
                classLoader.addJar(filename, jarFile, destFile);
            } catch (Exception ex) {
                // Catch the exception if there is an empty jar file
                // Should ignore and continue loading other jar files
                // in the dir
            }
        }
    }

FileDirContext#list

最终定位方法中，片段1是查找出当前目录下所有文件名，而在片段2中做了一次名称排序，最后片段3中构造并返回。

所以可以得出结论，tomact7中的jar包会按照名称排序。

protected List<NamingEntry> list(File file) {


        List<NamingEntry> entries = new ArrayList<NamingEntry>();
        if (!file.isDirectory())
            return entries;
        // 片段1
        String[] names = file.list();
        if (names==null) {
            /* Some IO error occurred such as bad file permissions.
               Prevent a NPE with Arrays.sort(names) */
            log.warn(sm.getString("fileResources.listingNull",
                                  file.getAbsolutePath()));
            return entries;
        }
        // 片段2
        Arrays.sort(names);             // Sort alphabetically
        NamingEntry entry = null;
        // 片段3
        for (int i = 0; i < names.length; i++) {
            File currentFile = new File(file, names[i]);
            Object object = null;
            if (currentFile.isDirectory()) {
                FileDirContext tempContext = new FileDirContext(env);
                tempContext.setDocBase(currentFile.getPath());
                tempContext.setAllowLinking(getAllowLinking());
                object = tempContext;
            } else {
                object = new FileResource(currentFile);
            }
            entry = new NamingEntry(names[i], object, NamingEntry.ENTRY);
            entries.add(entry);


        }


        return entries;


    }

• Tomcat8

WebappClassLoaderBase#findClassInternal

和tomcat7一样，首先来分析findClassInternal方法，此方法中关键是ResourceEntry是如何获取。

如片段1所示，tomcat8中ResourceEntry获取调用的是resources.getClassLoaderResource()

protected Class<?> findClassInternal(String name) {


        checkStateForResourceLoading(name);


        if (name == null) {
            return null;
        }
        String path = binaryNameToPath(name, true);


        ResourceEntry entry = resourceEntries.get(path);
        WebResource resource = null;


        if (entry == null) {
            // 片段1
            resource = resources.getClassLoaderResource(path);


            if (!resource.exists()) {
                return null;
            }


            entry = new ResourceEntry();
            entry.lastModified = resource.getLastModified();


            // Add the entry in the local resource repository
            synchronized (resourceEntries) {
                // Ensures that all the threads which may be in a race to load
                // a particular class all end up with the same ResourceEntry
                // instance
                ResourceEntry entry2 = resourceEntries.get(path);
                if (entry2 == null) {
                    resourceEntries.put(path, entry);
                } else {
                    entry = entry2;
                }
            }
        }

StandardRoot#getClassLoaderResource

这一步很奇怪，jar包存放路径是/WEB-INF/lib，而这里是/WEB-INF/classes，分析错了？继续下钻！

@Override
public WebResource getClassLoaderResource(String path) {
    return getResource("/WEB-INF/classes" + path, true, true);
}

StandardRoot#getResourceInternal

返回对象WebResource是由webResourceSet的getResource方法生成。而getResource方法在根据path路径查找文件了。显然现在需要从webResourceSet着手分析，看看这个allResources和webResourceSet是怎么来的。

protected final WebResource getResourceInternal(String path,boolean useClassLoaderResources) {
        WebResource result = null;
        WebResource virtual = null;
        WebResource mainEmpty = null;
        for (List<WebResourceSet> list : allResources) {
            for (WebResourceSet webResourceSet : list) {
                if (!useClassLoaderResources &&  !webResourceSet.getClassLoaderOnly() ||
                        useClassLoaderResources && !webResourceSet.getStaticOnly()) {
                    result = webResourceSet.getResource(path);
                    if (result.exists()) {
                        return result;
                    }
                    if (virtual == null) {
                        if (result.isVirtual()) {
                            virtual = result;
                        } else if (main.equals(webResourceSet)) {
                            mainEmpty = result;
                        }
                    }
                }
            }
        }


        // Use the first virtual result if no real result was found
        if (virtual != null) {
            return virtual;
        }


        // Default is empty resource in main resources
        return mainEmpty;
    }

StandardRoot中WebResourceSet的初始化如下

可以看到初始都是空数组，而allResources数组第一个元素是preResources，意味上面查找中会先在preResources中查询、其次是mainResources。

接下来要找什么时候往这些Resources添加数据。

private final List<WebResourceSet> preResources = new ArrayList<>();
private final List<WebResourceSet> classResources = new ArrayList<>();
private final List<WebResourceSet> jarResources = new ArrayList<>();
private final List<WebResourceSet> postResources = new ArrayList<>();
private final List<WebResourceSet> mainResources = new ArrayList<>();
private WebResourceSet main;
private final List<List<WebResourceSet>> allResources =
            new ArrayList<>();
    {
        allResources.add(preResources);
        allResources.add(mainResources);
        allResources.add(classResources);
        allResources.add(jarResources);
        allResources.add(postResources);
    }

StandardRoot#createWebResourceSet

通过全局搜索preResources，定位createWebResourceSet方法，这里WebResourceSet创建依赖入参，所以找此方法调用来源。

public void createWebResourceSet(ResourceSetType type, String webAppMount,
            String base, String archivePath, String internalPath) {
        List<WebResourceSet> resourceList;
        WebResourceSet resourceSet;


        switch (type) {
            case PRE:
                resourceList = preResources;
                break;
            case CLASSES_JAR:
                resourceList = classResources;
                break;
            case RESOURCE_JAR:
                resourceList = jarResources;
                break;
            case POST:
                resourceList = postResources;
                break;
            default:
                throw new IllegalArgumentException(
                        sm.getString("standardRoot.createUnknownType", type));
        }
     
    resourceSet = new JarWarResourceSet(this, webAppMount, base, archivePath, internalPath);
     
    resourceList.add(resourceSet);

StandardRoot#processWebInfLib

定位到createWebResourceSet方法的调用方，终于看到"/WEB-INF/lib"，同时入参webAppMount被设置为"/WEB-INF/classes"，这是一个挂载路径(类似虚拟目录)，实际物理路径是possibleJar.getURL()。

在分析listResources方法之前，有必要看下processWebInfLib方法又是什么时候被调用。

private void processWebInfLib() {
        WebResource[] possibleJars = listResources("/WEB-INF/lib", false);


        for (WebResource possibleJar : possibleJars) {
            if (possibleJar.isFile() && possibleJar.getName().endsWith(".jar")) {
                createWebResourceSet(ResourceSetType.CLASSES_JAR,
                        "/WEB-INF/classes", possibleJar.getURL(), "/");
            }
        }
    }

StandardRoot#startInternal

可以看见processWebInfLib在一个启动方法中被调用， 注意片段1 mainResources添加一个main对象, main为DirResourceSet类实例，也就是说现在allResources非空了。

@Override
    protected void startInternal() throws LifecycleException {
        mainResources.clear();
        //片段1
        main = createMainResourceSet();
        mainResources.add(main);


        for (List<WebResourceSet> list : allResources) {
            // Skip class resources since they are started below
            if (list != classResources) {
                for (WebResourceSet webResourceSet : list) {
                    webResourceSet.start();
                }
            }
        }


        // This has to be called after the other resources have been started
        // else it won't find all the matching resources
        processWebInfLib();
        // Need to start the newly found resources
        for (WebResourceSet classResource : classResources) {
            classResource.start();
        }


        cache.enforceObjectMaxSizeLimit();


        setState(LifecycleState.STARTING);
    }

回头继续分析listResources方法

从上面我们知道allResources中mainResurces数组下有一个DirContenxtSet实例。所以webResourceSet.list(path) 可以定位到DirResourceSet类。

private String[] list(String path, boolean validate) {
    if (validate) {
        path = validate(path);
    }


    // Set because we don't want duplicates
    // LinkedHashSet to retain the order. It is the order of the
    // WebResourceSet that matters but it is simpler to retain the order
    // over all of the JARs.
    HashSet<String> result = new LinkedHashSet<>();
    for (List<WebResourceSet> list : allResources) {
        for (WebResourceSet webResourceSet : list) {
            if (!webResourceSet.getClassLoaderOnly()) {
                String[] entries = webResourceSet.list(path);
                for (String entry : entries) {
                    result.add(entry);
                }
            }
        }
    }
    return result.toArray(new String[result.size()]);
}

DirResourceSet#list

最终定位到这里，DirResourceSet的webAppMout是"/", 所以进入片段1逻辑， file.list()方法直接返回了/WEB-INF/lib下的所有jar包路径（并没有像Tomcat7那样再用Arrays.sort进行排序）。

tomcat8在web应用启动时就把lib目录下所有的文件路径都导入到WebResourceSet中，后续进行类查找直接从WebResourceSet中查找，避免每次都调用系统file.list方法。

public String[] list(String path) {
        checkPath(path);
        String webAppMount = getWebAppMount();
        if (path.startsWith(webAppMount)) {
            File f = file(path.substring(webAppMount.length()), true);
            if (f == null) {
                return EMPTY_STRING_ARRAY;
            }
            // 片段1
            String[] result = f.list();
            if (result == null) {
                return EMPTY_STRING_ARRAY;
            } else {
                return result;
            }
        } else {
            if (!path.endsWith("/")) {
                path = path + "/";
            }
            if (webAppMount.startsWith(path)) {
                int i = webAppMount.indexOf('/', path.length());
                if (i == -1) {
                    return new String[] {webAppMount.substring(path.length())};
                } else {
                    return new String[] {
                            webAppMount.substring(path.length(), i)};
                }
            }
            return EMPTY_STRING_ARRAY;
        }
    }

总结：tomcat7中导入jar包列表会按照jar包名称进行字典排序，而tomcat8获取jar包列表未经过排序，所以tomcat7在不同机器上进行类加载时，每次都能定位到同一个的jar包，而在tomcat8中无法保证。

▐ 预发环境为什么没触发

由上面可知tomcat8是直接调用file.list()获取文件列表, 而list是一个本地方法, 可以上github看openJdk8源码，(如果对C语言不太了解，可以结合chatGPT来理解此次代码逻辑)。

可以看见是通过readdir64_r遍历目录，而readdir64_r实现与系统有关，比如ext4文件系统通过hashTree来缓存目录文件，此时不保证文件列表是有序的。

▐ 总结

通过上面分析可知，由于log4j和logback的坐标不同（但都存在org.slf4j.impl.StaticLoggerBinder类），所以这两个的jar包都会打进到webapp目录中。

tomact7在对org.slf4j.impl.StaticLoggerBinder类加载时，会先对jar包按照名称排序后再查找（logback按名称会排在前面），所以每次都能从logback中加载此类。

而在tomcat8并不会主动排序，完全取决文件系统返回的jar包列表，此时不保证有序，最终而tomca8下无法确保了每次都从logback中加载。

解决方法

在根因分析中拆解出的三个关键问题，其实也是对应解决方案的切入点。

▐ 1. Jar包导入阶段

一个重要原因是由于不同jar包存在相同的类，产生隐式冲突。所以可以手动排包来解决冲突。

可以用manven-enforcer插件来扫描出所有jar包冲突以及有重复类的jar包。

▐ 2. 类的加载阶段

如上分析问题的直接原因是不同版本tomcat的ClassLoader逻辑差异，所以我们可以重写或自定义ClassLoader来定制我们类加载逻辑。

▐ 3 . 类加载时Jar包选择阶段

如果不希望像2对整个ClassLoader做改造，那么可以在关键Jar包选择时找下解决办法：

第一种：回退到tomcat7，基于tomcat7有序加载jar包机制，保证所有机器表现是一样，线下环境发现问题再按需排包。

第二种：tomcat8是可以支持类加载时指定优先使用的Jar包：在Tomcat的Context.xml中定义PreSources（如根因分析中对tomcat8的分析可知，类查找时会先遍历PreResources）。

<Resources>
  <PreResources base="D:\Projects\lib\library1.jar"
                 className="org.apache.catalina.webresources.JarWarResourceSet"
                 webAppMount="/WEB-INF/classes"/>
</Resources>

结语

本文详细记录了一次由升级Tomcat引起的日志记录故障的排查与解决过程，深入分析了问题发生的背景、具体现象、排查步骤、根本原因及解决方案，为遇到类似问题的开发者提供了宝贵的参考和解决思路。通过这次经历，不仅揭示了软件升级过程中可能遇到的兼容性问题，还强调了理解应用程序底层技术栈，如类加载机制、日志框架工作原理的重要性。

参考资料

[1] 《JVM字节码详解》：https://blog.csdn.net/jifashihan/article/details/141420420

[2] 《JavaAgent技术原理》：

https://www.jianshu.com/p/4b5b533385f7

[3] 《双亲委派模式》：

https://www.jianshu.com/p/5e0441cd2d4c

[4] 《maven的仲裁机制》：

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1745192284330030901\&wfr=spider\&for=pc

[5] 《一文搞懂Java类加载机制》：

https://blog.csdn.net/BarackYoung/article/details/137060856

[6] 《Tomcat 的类加载机制》：

https://cloud.tencent.com/developer/article/2089600

[7] 《tomcat7 与 tomcat8 加载 jar包的顺序》：https://www.cnblogs.com/zjdxr-up/p/17139374.html

[8] 《一文读懂常用日志框架（Log4j、SLF4J、Logback）有啥区别》：https://cloud.tencent.com/developer/article/1400334

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