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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