Tomcat 核心原理分析，提升设计思维

Posted 2022-07-17 里奥ii

Tomcat 是一个免费的、开源的、轻量级的 Web 应用服务器。适合在并发量不是很高的中小企业项目中使用。学习本章，你将掌握它的目录结构、组件结构、连接器核心原理、容器核心原理、请求处理流程 和 SpringBoot 是如何启动内嵌Tomcat 这六大方面以及文章中出现的高频词汇。提升自己的设计思维，从容面对面试官的刁难问题。

目录结构

以下是 Tomcat 8 主要目录结构

组件结构

Tomcat 的核心功能有两个，分别是负责接收和反馈外部请求的连接器 Connector，和负责处理请求的容器 Container。其中连接器和容器相辅相成，一起构成了基本的 web 服务 Service。每个 Tomcat 服务器可以管理多个 Service。

连接器核心原理

连接器核心功能

一、监听网络端口，接收和响应网络请求。

二、网络字节流处理。将收到的网络字节流转换成 Tomcat Request 再转成标准的 ServletRequest 给容器，同时将容器传来的 ServletResponse 转成 Tomcat Response 再转成网络字节流。

连接器模块设计

为满足连接器的两个核心功能，我们需要一个通讯端点来监听端口；需要一个处理器来处理网络字节流；最后还需要一个适配器将处理后的结果转成容器需要的结构。

对应的源码包路径 ​​org.apache.coyote​​ 。对应的结构图如下

容器请求处理

容器的请求处理过程就是在 Engine、Host、Context 和 Wrapper 这四个容器之间层层调用，最后在 Servlet 中执行对应的业务逻辑。各容器都会有一个通道 Pipeline，每个通道上都会有一个 Basic Valve（如StandardEngineValve）， 类似一个闸门用来处理 Request 和 Response 。其流程图如下。

请求处理流程

上面的知识点已经零零碎碎地介绍了一个 Tomcat 是如何处理一个请求。简单理解就是连接器的处理流程 + 容器的处理流程 = Tomcat 处理流程。哈！那么问题来了，Tomcat 是如何通过请求路径找到对应的虚拟站点？是如何找到对应的 Servlet 呢？

映射器功能介绍

这里需要引入一个上面没有介绍的组件 Mapper。顾名思义，其作用是提供请求路径的路由映射。根据请求URL地址匹配是由哪个容器来处理。其中每个容器都会它自己对应的Mapper，如 MappedHost。

不知道大家有没有回忆起被 Mapper class not found 支配的恐惧。在以前，每写一个完整的功能，都需要在 web.xml 配置映射规则，当文件越来越庞大的时候，各个问题随着也会出现

HTTP请求流程

打开 tomcat/conf 目录下的 server.xml 文件来分析一个http://localhost:8080/docs/api 请求。

第一步：连接器监听的端口是8080。由于请求的端口和监听的端口一致，连接器接受了该请求。

第二步：因为引擎的默认虚拟主机是 localhost，并且虚拟主机的目录是webapps。所以请求找到了 tomcat/webapps 目录。

第三步：解析的 docs 是 web 程序的应用名，也就是 context。此时请求继续从 webapps 目录下找 docs 目录。有的时候我们也会把应用名省略。

第四步：解析的 api 是具体的业务逻辑地址。此时需要从 docs/WEB-INF/web.xml 中找映射关系，最后调用具体的函数。

SpringBoot是如何启动内嵌Tomcat

SpringBoot 一键启动服务的功能，让有很多刚入社会的朋友都忘记 Tomcat 是啥。随着硬件的性能越来越高，普通中小项目都可以直接用内置 Tomcat 启动。但是有些大一点的项目可能会用到 Tomcat 集群和调优，内置的 Tomcat 就不一定能满足需求了。

我们先从源码中分析 SpringBoot 是如何启动 Tomcat，以下是 SpringBoot 2.x 的代码。

代码从 main 方法开始，执行 run 方法启动项目。

SpringApplication.run

从 run 方法点进去，找到刷新应用上下文的方法。

this.prepareContext(context, environment, 
listeners, applicationArguments, printedBanner);
this.refreshContext(context);
this.afterRefresh(context, applicationArguments);

从 refreshContext 方法点进去，找 refresh 方法。并一层层往上找其父类的方法。

this.refresh(context);

在 AbstractApplicationContext 类的 refresh 方法中，有一行调用子容器刷新的逻辑。

this.postProcessBeanFactory(beanFactory);
this.invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
this.registerBeanPostProcessors(beanFactory);
this.initMessageSource();
this.initApplicationEventMulticaster();
this.onRefresh();
this.registerListeners();
this.finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
this.finishRefresh();

从 onRefresh 方法点进去，找到 ServletWebServerApplicationContext 的实现方法。在这里终于看到了希望。

protected void onRefresh() 
  super.onRefresh();

  try 
    this.createWebServer();
   catch (Throwable var2) 
    throw new ApplicationContextException
    ("Unable to start web server", var2);
  

从 createWebServer 方法点进去，找到从工厂类中获取 WebServer的代码。

if (webServer == null && servletContext == null) 
  ServletWebServerFactory factory = this.getWebServerFactory();
  // 获取 web server 
  this.webServer = factory.getWebServer
  (new ServletContextInitializer[]this.getSelfInitializer());
 else if (servletContext != null) 
  try 
      // 启动 web server
      this.getSelfInitializer().onStartup(servletContext);
   catch (ServletException var4) 
      throw new ApplicationContextException
      ("Cannot initialize servlet context", var4);
  

从 getWebServer 方法点进去，找到 TomcatServletWebServerFactory 的实现方法，与之对应的还有 Jetty 和 Undertow。这里配置了基本的连接器、引擎、虚拟站点等配置。

public WebServer getWebServer
  (ServletContextInitializer... initializers) 
  Tomcat tomcat = new Tomcat();
  File baseDir = this.baseDirectory != null ? 
    this.baseDirectory : this.createTempDir("tomcat");
  tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath());
  Connector connector = new Connector(this.protocol);
  tomcat.getService().addConnector(connector);
  this.customizeConnector(connector);
  tomcat.setConnector(connector);
  tomcat.getHost().setAutoDeploy(false);
  this.configureEngine(tomcat.getEngine());
  Iterator var5 = this.additionalTomcatConnectors.iterator();

  while(var5.hasNext()) 
      Connector additionalConnector = (Connector)var5.next();
      tomcat.getService().addConnector(additionalConnector);
  

  this.prepareContext(tomcat.getHost(), initializers);
  return this.getTomcatWebServer(tomcat);

源码分析流程图：

服务启动后会打印日志

o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat initialized with port(s): 8900 (http)
o.apache.catalina.core.StandardService   : Starting service [Tomcat]
org.apache.catalina.core.StandardEngine  : Starting Servlet Engine: Apache Tomcat/8.5.34
o.a.catalina.core.AprLifecycleListener   : The APR based Apache Tomcat Native library which allows optimal ...
o.a.c.c.C.[Tomcat].[localhost].[/]       : Initializing Spring embedded WebApplicationContext
o.s.web.context.ContextLoader            : Root WebApplicationContext: initialization completed in 16858 ms

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原作者：ITDragon博客