深入理解Tomcat

Posted 2023-04-19

参考技术A

1、先大概介绍Tomcat，再介绍两个核心组件连接器和容器。
2、连接器方面，可以通过三个组件：Endpoint、Processor、Adapter去讲连接器是如何屏蔽底层网络通信细节。
3、容器方面，可以通过 Engine、Host、Context、Wrapper四种容器去讲如何运用了组合设计模式的思想，实现自由添加节点。

Tomcat 的本质其实就是 一个 WEB 服务器 + 一个 Servlet 容器 ，那么它必然需要处理 网络的连接与 Servlet 的管理 。

因此，Tomcat 设计了两个核心组件来实现这两个功能，分别是 连接器和容器 ，连接器用来处理外部网络连接，容器用来处理内部 Servlet，我用一张图来表示它们的关系：

一个 Tomcat 代表一个 Server 服务器，一个 Server 服务器可以包含多个 Service 服务，Tomcat 默认的 Service 服务是 Catalina，而 一个 Service 服务可以包含多个连接器，因为 Tomcat 支持多种网络协议，包括 HTTP/1.1、HTTP/2、AJP 等等，一个 Service 服务还会包括一个容器，容器外部会有一层 Engine 引擎所包裹，负责与处理连接器的请求与响应，连接器与容器之间通过 ServletRequest 和 ServletResponse 对象进行交流。

连接器负责将各种网络协议封装起来，对外部屏蔽了网络连接与 IO 处理的细节，将处理得到的 Request 对象传递给容器处理。

Tomcat 将处理请求的细节封装到 ProtocolHandler，ProtocolHandler 是一个接口类型，通过实现 ProtocolHandler 来实现各种协议的处理

ProtocolHandler 采用组件模式的设计，将处理网络连接，字节流封装成 Request 对象，再将 Request 适配成 Servlet 处理 ServletRequest 对象这几个动作，用组件封装起来了，

以上连接器的各个组件，我用一张图说明它们直接的关系：

在 Tomcat 中一共设计了 4 种容器，它们分别为 Engine、Host、Context、Wrapper，它们的关系如下图所示：

各个容器组件之间的关系是由大到小，即父子关系，它们之间关系形成一个树状的结构。

Tomcat 的这种容器设计思想，其实是运用了组合设计模式的思想，组合设计模式最大的优点是可以自由添加节点，这样也就使得 Tomcat 的容器组件非常地容易进行扩展，符合设计模式中的开闭原则。

从容器的组合关系可以看出，它们调用顺序必定是：

定位 Servlet 的流程图：

[图片上传失败...(image-8a1b99-1576409021968)]

Mapper 最主要的核心功能是保存容器组件之间访问路径的映射关系

深入理解Tomcat系列之一：系统架构

前言：

Tomcat是Apache基金组织下的开源项目，性质是一个Web服务器。下面这种情况很普遍：在eclipse床架一个web项目并部署到Tomcat中，启动tomcat，在浏览器中输入一个类似http://localhost:8080/webproject/anyname.jsp的url，然后就可以看到我们写好的jsp页面的内容了。一切都是那么自然和顺理成章，然而这一切都是源于tomcat带给我们的，那么在tomcat背后，这一切又是怎么样发生的呢？带着对tomcat工作原理的好奇心，我决定研究一下tomcat的源码，然而部署源码环境的过程却让我心灰意冷，本着搞不定我还真不信的热情，折腾了一个晚上+一个早上，终于把源码源码环境搭建好了。
为了让文章显得更有条理性，我将从以下几个方面说明Tomcat的工作流程：

搭建Tomcat源码环境指导
Tomcat的系统架构
Tomcat中的核心组件说明
Servlet工作原理
一个例子
Tomcat的系统架构
首先我们从一个宏观的角度来看一下Tomcat的系统的架构：

从这张图中可以看到，Tomcat的核心组件就两个Connector和Container（后面还有详细说明），一个Connector+一个Container构成一个Service，Service就是对外提供服务的组件，有了Service组件Tomcat就可以对外提供服务了，但是光有服务还不行，还得有环境让你提供服务才行，所以最外层的Server就为Service提供了生存的土壤。那么这些个组件到底是干嘛用的呢？Connector是一个连接器，主要负责接收请求并把请求交给Container，Container就是一个容器，主要装的是具体处理请求的组件。Service主要是为了关联Container与Connector，一个单独的Container或者一个单独的Connector都不能完整处理一个请求，只有两个结合在一起才能完成一个请求的处理。Server这是负责管理Service集合，从图中我们看到一个Tomcat可以提供多种服务，那么这些Serice就是由Server来管理的，具体的工作包括：对外提供一个接口访问Service，对内维护Service集合，维护Service集合又包括管理Service的生命周期、寻找一个请求的Service、结束一个Service等。以上就是对Tomcat的核心组件的简要说明，下面我们详细看看每一个组件的执行流程：

Server
上面说Server是管理Service接口的，Server是Tomcat的顶级容器，是一个接口，Server接口的标准实现类是StandardServer类，在Server接口中有许多方法，我们重点关注两个方法：addService()和findService(String)。我们先来看看Server接口的全貌：

接着看看addService()和findService(String)的实现代码：

代码清单1-1:

/**

• Add a new Service to the set of defined Services.

• @param service The Service to be addedbr/>*/
  @Override
  public void addService(Service service) {

  service.setServer(this);

  synchronized (services) {
  Service results[] = new Service[services.length + 1];
  System.arraycopy(services, 0, results, 0, services.length);
  results[services.length] = service;
  services = results;

  if (getState().isAvailable()) {
      try {
          service.start();
      } catch (LifecycleException e) {
          // Ignore
      }
  }
  
  // Report this property change to interested listeners
  support.firePropertyChange("service", null, service);

  }

}

可以看到，Server使用一个数组来管理Service的，每添加一个Service就把原来的Service拷贝到一个新的数组中，再把新的Service放入Service数组中。所以Server与Service是关联在一起的，那么后面的getState().isAvailable()是干嘛的呢？判断状态是否无效，从而决定是否执行service方法。这里说到了状态，就不得不说Tomcat管理各组件生命周期的Lifecycle接口了：

Lifecycle接口

Tomcat中的组件都交给这个接口管理，但是具体组件的生命周期是由包含组件的父容器来管理的，Tomcat中顶级容器管理着Service的生命周期，Service容器又是Connector和Container的父容器，所以这两个组件的生命周期是由Service管理的，Container也有子容器，所以管理着这些子容器的生命周期。这样，只要所有组件都实现了Lifecycle接口，从顶层容器Server开始，就可以控制所有容器的生命周期了。Lifecycle接口中定义了很多状态，在api中详细说明了调用不同方法后的状态转变，同时定义了不同的方法，这些方法在执行后状态会发生相应的改变，在Lifecycle接口中定义了如下方法：

在StandServer中实现了startInernal()方法，就是循环启动StandServer管理的Service的过程，Tomcat的Service都实现了Lifecycle接口，所以被管理的Service都将被通知到，从而执行start()方法，startIntenal()方法是这样的：

代码清单1-2：

/**

• Start nested components ({@link Service}s) and implement the requirements
• of {@link org.apache.catalina.util.LifecycleBase#startInternal()}.
• @exception LifecycleException if this component detects a fatal error

• that prevents this component from being usedbr/>*/
  @Override
  protected void startInternal() throws LifecycleException {

  fireLifecycleEvent(CONFIGURE_START_EVENT, null);
  setState(LifecycleState.STARTING);

  globalNamingResources.start();

  // Start our defined Services
  synchronized (services) {
  for (int i = 0; i < services.length; i++) {
  services[i].start();
  }
  }
  }

现在所有的Service就会收到通知继而执行start方法。如果一个Service不允许被使用将会抛出一个LifecycleException异常。

stopIntenal()会通知所有Service执行stop方法，具体处理流程与startIntenal()方法类似。这个执行过程涉及一个非常重要的设计模式，就是观察者模式。

现在我们已经能够知道了容器通过Lifecycle接口管理容器的生命周期，那么在父容器的状态改变具体是怎么样通知给子容器的呢？回到代码清单1-2，我们注意到有一个fireLifecycleEvent()方法，fireLifecycleEvent()的执行流程如下：

调用LifecycleBase的fireLifecycleEvent(LifecycleListener listener)方法，LifecycleBase是一个抽象类，实现了Lifecycle接口
继续调用LifecycleSupport（是一个辅助完成对已经注册监听器的事件通知类，不可被继承，使用final)的fireLifecycleEvent(String type, Object data)方法
完成事件通知
fireLifecycleEvent(String type, Object data)的方法如下：

代码清单1-3：

/**

• Notify all lifecycle event listeners that a particular event has
• occurred for this Container. The default implementation performs
• this notification synchronously using the calling thread.
• @param type Event type

• @param data Event data
  */
  public void fireLifecycleEvent(String type, Object data) {

  LifecycleEvent event = new LifecycleEvent(lifecycle, type, data);
  LifecycleListener interested[] = listeners;
  for (int i = 0; i < interested.length; i++)
  interested[i].lifecycleEvent(event);

}

所以，具体事件的通知是由LifecycleListener接口的lifecycleEvent方法完成的，各实现类可以根据不同的情况实现不同的事件监听逻辑

Service
Service是具体提供服务的接口，一个Service包装了Connector和一个Container，在Tomcat中这点是如何实现的呢？Service是一个接口，其标准实现类是StandardService，下面是这两个类的鸟瞰图：

这里，我们只关心与Connector和Container最紧密的方法：setContainer()和addConnector()方法，先看一下setContainer()方法的源码：

代码清单2-1：

/**

• Set the <code>Container</code> that handles requests for all
• <code>Connectors</code> associated with this Service.

• @param container The new Containerbr/>*/
  @Override
  public void setContainer(Container container) {

  Container oldContainer = this.container;
  if ((oldContainer != null) && (oldContainer instanceof Engine))
  ((Engine) oldContainer).setService(null);
  this.container = container;
  if ((this.container != null) && (this.container instanceof Engine))
  ((Engine) this.container).setService(this);
  if (getState().isAvailable() && (this.container != null)) {
  try {
  this.container.start();
  } catch (LifecycleException e) {
  // Ignore
  }
  }
  if (getState().isAvailable() && (oldContainer != null)) {
  try {
  oldContainer.stop();
  } catch (LifecycleException e) {
  // Ignore
  }
  }

  // Report this property change to interested listeners
  support.firePropertyChange("container", oldContainer, this.container);

}

从代码中可以看到这个方法主要的任务是设置一个Container容器来处理一个或者多个Connector传送过来的请求。首先判断当前的Service是否已经关联了Container容器，如果已经关联了就去除这个关联关系。如果原来的Container容器已经启动了就终止其生命周期，结束运行并设置新的关联关系，这个新的Container容器开始新的生命周期。最后把这个过程通知给感兴趣的事件监听程序。

下面看看addConnector的方法：

代码清单2-2：

/**

• Add a new Connector to the set of defined Connectors, and associate it
• with this Service‘s Container.

• @param connector The Connector to be addedbr/>*/
  @Override
  public void addConnector(Connector connector) {

  synchronized (connectors) {
  connector.setService(this);
  Connector results[] = new Connector[connectors.length + 1];
  System.arraycopy(connectors, 0, results, 0, connectors.length);
  results[connectors.length] = connector;
  connectors = results;

  if (getState().isAvailable()) {
      try {
          connector.start();
      } catch (LifecycleException e) {
          log.error(sm.getString(
                  "standardService.connector.startFailed",
                  connector), e);
      }
  }
  
  // Report this property change to interested listeners
  support.firePropertyChange("connector", null, connector);

  }

}

总结：

执行过程也比较清楚：用一个同步代码块包住connectors数组，首先设置connector与container和service的关联关系，然后让connector开始新的生命周期，最后通知感兴趣的事件监听程序。注意到Connector的管理和Server管理Service一样都使用了数组拷贝并把新的数组赋给当前的数组，从而间接实现了动态数组。之所以使用数组我想可能是出于性能的考虑吧。