Tomcat底层原理

Posted 2022-11-28 weixin_42412601

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• • 前言
  • Tomcat底层架构组成
  • • 1、Context——servlet容器
    • 2、Host——servlet容器
    • 3、Engine——servlet容器
    • 4、Wrapper——servlet容器
    • 5、Pipiline管道
  • Tomcat的请求处理流程
  • Tomcat架构平视图
  • Java Socket底层实现
  • Connector组件
  • • 1、BIO的方式取数据
    • 2、NIO的方式取数据
    • 3、解析数据

前言

基于Tomcat7

1、Tomcat是一个Servlet容器。
2、使用Java代码模拟一个Tomcat容器：

class Tomcat
	List<Servlet> servlets;
	Connector connect;//处理请求，生成了Request

3、回顾servlet的定义

public class MyHttpServlet extends HttpServlet 
    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException 
        resp.getWriter().println("http");
    

问题1：我们定义的servlet，它的实例是怎么生成的？doGet方法又是怎么调用到的呢？在哪执行的？

MyHttpServlet  myHttpServlet=new MyHttpServlet (); 
myHttpServlet.doGet();

问题2：调用doGet()方法时，HttpServletRequest，HttpServletResponse都是接口，那么入参的实际类型是什么？
实际上HttpServletRequest，HttpServletResponse接口的实现类，由servlet容器实现，比如：tomcat,jetty。我们把项目部署到tomcat中，tomcat就提供了一个HttpServletRequest和HttpServletResponse的实现类，部署到jetty,jetty就提供了相应的实现类，这是一个规范。
其中，在Tomcat中，HttpServletRequest的实现类就是RequestFacade

4、RequestFacade-门面模式
RequestFacade实现了HttpServletRequest，充当门面模式中的外观类。RequestFacade屏蔽内部子系统的细节。
RequestFacade代表的是一个请求，实际上是RequestFacade的属性Request,才是真正代表的一个请求，外界的http请求信息，都封装在这个Request对象中，只是利用门面模式的外观类，把它屏蔽在里面了。

Request本身也是实现了接口HttpServletRequest

5、应用部署到Tomcat有几种部署方式。

• war包部署
• 文件夹部署
• 描述符部署

<Context path="/ServletHello1" docBase="xxx" />	

好了，现在这个Context就引出来一个容器，在Tomcat里有一个接口就叫Context

Tomcat底层架构组成

Container容器是父接口，所有的子容器都必须实现这个接口，在Tomcat中Container容器的设计是典型的责任链设计模式，其有四个子容器：Engine、Host、Context和Wrapper。这四个容器之间是父子关系，Engine容器包含Host，Host包含Context，Context包含Wrapper。

我们在web项目中的一个Servlet类对应一个Wrapper，多个Servlet就对应多个Wrapper，当有多个Wrapper的时候就需要一个容器来管理这些Wrapper了，这就是Context容器了，Context容器对应一个工程，所以我们新部署一个工程到Tomcat中就会新创建一个Context容器。

Engine->Host->Context->Wrapper->Servlet

1、Context——servlet容器

Context继承自Container容器接口

context表示的就是应用，这个应用是一个servlet容器。

path：是访问时的根地址，表示访问的路径。就是项目路径，根据请求带的项目路径，来确定使用哪个Context来处理请求
docbase：表示应用程序的路径，注意斜杠的方向“/”。应用编译后的class文件的路径。

2、Host——servlet容器

Host表示虚拟主机，一个虚拟主机下可以定义很多个Context，即可以部署多个项目

• name：表示虚拟主机的名字,就是对应请求的域名，根据域名来确定使用哪个虚拟主机
• appBase：表示应用存放的目录
• unpackWARs：表示是否需要解压
• autoDeploy：热部署

3、Engine——servlet容器

Engine引擎包含多个Host,它的责任就是将用户请求分配给一个虚拟上机处理。

• name：表示引擎的逻辑名称，在日志和错误消息中会用到，在同一台服务器上有多个Service时，name必须唯一。
• defaultHost：指定默认主机，如果没有分配哪个主机来执行用户请求，由这个值所指定的主机来处理，这个值必须和<Host>元素中的其中一个相同。

4、Wrapper——servlet容器

Context是一个servlet容器，但是它并不是直接装servlet实例，可以简单的理解,Context包含了多个Wrapper。

class Context
	List<Wrapper> wrappers;

Wrapper才是装了多个Servlet实例，注意装的是某一个类型的servlet实例，比如，我自定一了一个servlet,就叫MyServlet，那么就有一个Wrapper里装的都是MyServlet的实例。

class Wrapper
	List<servlet> servlet;//装的是某一个类型的servlet实例

• 一般servlet都是单例的，所有访问同一个servlet的请求是共用同一个servlet实例的。
• 定义的servlet实现了SingleThreadModel接口，每一个访问这个servlet的请求，单独有一个servlet实例，既然servlet支持了这个功能，肯定要去实现这个功能，因此，就有了wrapper

5、Pipiline管道

前面的4个容器都包含Pipiline管道

在Tomcat中，对于每一个容器，都有一个公共的组件Pipiline管道，每个管道下可以有多个阀门Valve，一个阀表示一个具体的执行任务，在servlet容器的管道中，除了有一个基础阀BaseValve，还可以添加任意数量的阀。阀的数量指的是额外添加的阀数量，即不包括基础阀。可以通过编辑Tomcat的配置文件（server.xml）来动态地添加阀。

例如：

还可以自定义阀门

public class TestValve extends RequestFilterValve 
    @Override
    public void invoke(Request request, Response response) throws IOException, ServletException 
        
    
    @Override
    protected Log getLog() 
        return null;
    

下图显示了一条管道及其阀：

如果对servlet编程中的过滤器有所了解的话，那么应该不难想像管道和阀的工作机制。管道就像过滤器链一样，而阀则好似是过滤器。阀与过滤器类似，可以处理传递给它的request对象和response对象。当一个阀执行完成后，会调用下一个阀继续执行。基础阀总是最后一个执行的。

Tomcat的请求处理流程

问：Wrapper容器的管道中的最后一个阀门，是怎样把请求转发给对应的servlet的？

看一下阀门的StandardWrapperValve的invoke方法的核心代码：


allocate方法里的loadServlet方法，直接newInstance一个serlvet实例

servlet = (Servlet) instanceManager.newInstance(servletClass);

这也回答了前言里的问题1，servlet是怎么生成的，在哪生成的？
servlet是在Wrapper的基础阀里生成的。

servlet实例有了，那么doGet/doPost在哪执行呢？
回到阀门的StandardWrapperValve的invoke方法的核心代码：来到这一行代码，传进servlet实例，并且返回一个过滤器链

我们定义一个Filter的时候，可以像下面这样写：

执行过程：filter->servlet->再回到filter
因此，filterChain.doFilter(servletRequest, servletResponse);虽然是调用其他过滤器，但是过滤器调用完之后，必然要去调用servlet的doget方法。
所以，上面才需要传入servlet实例，然后获取一个过滤器链，因为要用到这个servlet

继续往下走：

进入doFilter，再进入internalDoFilter方法：发现并没有执行，servlet的doGet/dopost方法，执行的是servlet的service方法

我们自定义servlet的时候，并没有service啊

往父类HttpServlet中找找：

因此，在哪里调用的doGet、doPost方法，与Tomcat没有关系，这个实际上是servlet规范所定义的。

Tomcat架构平视图

右边的部分，已经说过了，看看左边。

Request对象怎么生成的？

1、Request对象表示的是一个请求，Tomcat要生成一个Request对象，首先就要有数据，这个数据拿来的呢？
操作系统。Tomcat仅仅是操作系统上的一个应用程序，因此，它的数据开源于操作系统。

2、那操作系统的数据又从哪来的呢？
操作系统安装在服务器上面的，因此，操作系统的数据来源于服务器。

3、那服务器的数据又来源于哪里呢？
一个服务器通过网络将数据发给另一个服务器的。这就涉及到很多很多的协议了，服务器之间想要完成数据的传输和接受，就和计算机网络有关系了，跟各种协议有关系。

4、如果服务器A有数据，想把数据发给服务器B，但是仅仅有数据和IP（没有端口，端口是和应用程序对应的），服务器A能够保证数据安全可靠的发给服务器B吗
不能。可能数据非常大，数据在网络的传输过程中，会经过机房或者交换机，很有可能数据就会丢失，是不可靠的。

5、如何保证数据的可靠传输呢？
使用Tcp协议。该协议是一个可靠的协议，但是该协议，毕竟只是一个协议，这个协议肯定是需要去实现的。

6、Tcp协议由谁实现？
操作系统。linux和Windows操作系统，或者其他操作系统都会去实现Tcp协议。
Tcp协议在服务器之间建立连接时，会进行三次握手，linux源码就有关于Tcp三次握手的相关源码：



注意：Tcp协议只是保证数据在传输层可靠的传输，但是它并不关心数据长什么样子，也不关心数据的格式以及代表的意义，谁才关系数据的格式是怎么的，内容是怎么的呢？当然是使用数据的人和发送数据的人啊。浏览器和应用程序，因此，Http协议就有了，它是应用层协议，对我们要发送的数据进行规范，数据的格式，内容，数据的意义。

7、Http协议由谁实现？
浏览器、应用程序(包括Tomcat)

8、如果用java代码去实现一个浏览器，当用户在浏览器的地址栏输入地址后，按下回车键，代码执行的流程是怎么样的
1、肯定是要根据Http协议，去构造出符合Http协议的数据格式
2、发送数据，建立Tcp连接。
3、应用程序，接受数据

问题来了，java代码里怎么去建立Tcp连接，我们知道操作系统的源码里有建立Tcp连接的代码，那么Java能不能去调用操作系统的建立三次握手的代码，比如：tcp_connect()方法，以此来建立Tcp连接。

实际上建立Tcp连接的方法，java是不能直接调用的，因为这些方法是linux操作系统非常核心的方法，不会直接让你调的，实际上像这种情况，我们通常会想到，写一个API，重新定义一个方法，比如：

create_tcp()
//验证
xxxx
//验证通过之后，才让调这个方法
tcp_connect（）;

liunx里也一样，不会让我们直接调用tcp_connect方法，它提供了一个对外的接口，就是socket，别人不能直接访问tcp_connect，只能通过socket去访问。

因此，回到java代码里怎么建立Tcp连接？通过Socket接口，建立Tcp连接。

其实不仅仅Java应用程序,运行在操作系统上的各种程序，都只能通过Socket去建立Tcp连接。

Java Socket底层实现

使用Java Socket建立一个tcp连接，如下：

 public static void main(String[] args) throws IOException 
     Socket socket = new Socket();//tcp
     socket.connect(new InetSocketAddress("localhost",9090));

     DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket();//udp
 

Java 的Socket类底层是不是直接调的操作系统的Socket呢？它们有没有什么联系呢？
1、进入connect方法

2、进入createImpl

3、进入AbstractPlainSocketImpl的create

4、进入socketCreate，创建一个Socket

5、进入DualStackPlainSocketImpl的socketCreate

发现socket0是一个native方法

native的socket0，代码只能去open jdk中去看socket0是怎么实现的.
7、DualStackPlainSocketImpl.c文件：

8、net_util_md.c文件：

socket(domain,type,protocol)又是怎么实现的呢？
但是该方法的实现，是在open jdk中找不到的。那么它到底在哪里实现的
9、看到net_util_md.c文件的头文件

那么，在当前的windows操作系统中找找有没有这个头文件。
win10如下：

这个就是上面socket(domain,type,protocol)的真正实现

10、回头看Java在创建一个Socket连接的时候,socket.connect(new InetSocketAddress("localhost",9090))这行代码，会先去调用Jdk代码，jdk最终调用的是操作系统的代码

Connector组件

回到Tomcat架构平视图中的8，浏览器会负责去构造数据，发送数据，那么Tomcat接受数据后，需要解析数据，这个时候就要去实现Http协议。

Tomcat使用socket接受数据，然后就要取数据，这里就涉及到一个概念，叫做IO模型，就是你通过什么方式去取数据的呢，是以BIO还是NIO呢？

Connector组件，会从socket中去取数据，然后根据Http协议去解析数据，解析成Request对象。

1、BIO的方式取数据

这个Connector组件，在Tomcat中对应有一个类Connector，有一个方法setProtocol，入参就是上图的protocol属性（Tomcat启动会去解析server.xml）

public void setProtocol(String protocol) 
    if (AprLifecycleListener.isAprAvailable()) 
        if ("HTTP/1.1".equals(protocol)) 
            setProtocolHandlerClassName
            ("org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol");
         else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) 
            setProtocolHandlerClassName
            ("org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol");
         else if (protocol != null) 
            setProtocolHandlerClassName(protocol);
         else 
            setProtocolHandlerClassName
            ("org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol");
        
     else 
    	//当`protocol` 属性设置为`Http1.1`时,对应的类是`org.apache.coyote.http11.Http11Protocol`
        if ("HTTP/1.1".equals(protocol)) 
            setProtocolHandlerClassName
            ("org.apache.coyote.http11.Http11Protocol");
         else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) 
            setProtocolHandlerClassName
            ("org.apache.coyote.ajp.AjpProtocol");
         else if (protocol != null) 
            setProtocolHandlerClassName(protocol);
        
    

当protocol 属性设置为Http1.1时，代码里对应的类是org.apache.coyote.http11.Http11Protocol，它对应的协议是Http1.1,对应的io模型是BIO。
1、看看Http11Protocol源码，为啥说它对应的是BIO

2、看看JIoEndpoint

使用的工厂模式创建socket对象。

2、NIO的方式取数据

如果想使用NIO,只需要修改：protocol="HTTP/1.1"变为org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol

<Connector port="8080" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"
           connectionTimeout="20000"
           redirectPort="8443" />

启动Tomcat就户发现走的是下面的红框了


1、看看Http11NioProtocol。查看方法类似上面查看BIO

2、看看NioEndpoint

使用的是SocketChannel,明显使用的是NIO,学过nio就知道了

3、解析数据

不管是BIO还是NIO方式取数据，反正是获取到了对应的Socket。接下来就是解析数据了。

对于BIO方式：会在processSocket方法中处理数据，对应nio方式。猜想Tomcat取数据，应该是socket.getInputStream()来取数据，然后按照Http1.1的格式解析数据

1、processSocket方法

Http协议的格式：

2、包装socket，然后把这个socket连接交给线程池，去处理。这个线程池在Tomcat7中默认10条线程，private int minSpareThreads = 10;

3、进入SocketProcessor，是一个线程

4、process方法

5、AbstractHttp11Processor的process，因为BIO对应的是Http11


解析请求行和请求头的方法里，都会把解析出来的数据，设置到Request对象里。

socket.getInputStream()取出来的数据，不是直接使用的，会放到缓存中。