211期Tomcat 在 SpringBoot 中是如何启动的？

Posted 2021-05-14 Java最全面试题库

2020年百日百更原创Java最全面试题库之往期回顾

# 前言

我们知道 SpringBoot 给我们带来了一个全新的开发体验，我们可以直接把 web 程序达成 jar 包，直接启动，这就得益于 SpringBoot 内置了容器，可以直接启动，本文将以 Tomcat 为例，来看看 SpringBoot 是如何启动 Tomcat 的，同时也将展开学习下 Tomcat 的源码，了解 Tomcat 的设计。

# 从 Main 方法说起

用过 SpringBoot 的人都知道，首先要写一个 main 方法来启动

@SpringBootApplicationpublic class TomcatdebugApplication {
 public static void main(String[] args) { SpringApplication.run(TomcatdebugApplication.class, args); }
}

我们直接点击 run 方法的源码，跟踪下来，发下最终的 run 方法是调用 ConfigurableApplicationContext 方法，源码如下：

public ConfigurableApplicationContext run(String... args) { StopWatch stopWatch = new StopWatch(); stopWatch.start(); ConfigurableApplicationContext context = null; Collection<springbootexceptionreporter> exceptionReporters = new ArrayList&lt;&gt;(); //设置系统属性『java.awt.headless』，为true则启用headless模式支持 configureHeadlessProperty(); //通过*SpringFactoriesLoader*检索*META-INF/spring.factories*， //找到声明的所有SpringApplicationRunListener的实现类并将其实例化， //之后逐个调用其started()方法，广播SpringBoot要开始执行了 SpringApplicationRunListeners listeners = getRunListeners(args); //发布应用开始启动事件 listeners.starting(); try { //初始化参数 ApplicationArguments applicationArguments = new DefaultApplicationArguments(args); //创建并配置当前SpringBoot应用将要使用的Environment（包括配置要使用的PropertySource以及Profile）, //并遍历调用所有的SpringApplicationRunListener的environmentPrepared()方法，广播Environment准备完毕。 ConfigurableEnvironment environment = prepareEnvironment(listeners, applicationArguments); configureIgnoreBeanInfo(environment); //打印banner Banner printedBanner = printBanner(environment); //创建应用上下文 context = createApplicationContext(); //通过*SpringFactoriesLoader*检索*META-INF/spring.factories*，获取并实例化异常分析器 exceptionReporters = getSpringFactoriesInstances(SpringBootExceptionReporter.class, new Class[] { ConfigurableApplicationContext.class }, context); //为ApplicationContext加载environment，之后逐个执行ApplicationContextInitializer的initialize()方法来进一步封装ApplicationContext， //并调用所有的SpringApplicationRunListener的contextPrepared()方法，【EventPublishingRunListener只提供了一个空的contextPrepared()方法】， //之后初始化IoC容器，并调用SpringApplicationRunListener的contextLoaded()方法，广播ApplicationContext的IoC加载完成， //这里就包括通过**@EnableAutoConfiguration**导入的各种自动配置类。 prepareContext(context, environment, listeners, applicationArguments, printedBanner); //刷新上下文 refreshContext(context); //再一次刷新上下文,其实是空方法，可能是为了后续扩展。 afterRefresh(context, applicationArguments); stopWatch.stop(); if (this.logStartupInfo) { new StartupInfoLogger(this.mainApplicationClass).logStarted(getApplicationLog(), stopWatch); } //发布应用已经启动的事件 listeners.started(context); //遍历所有注册的ApplicationRunner和CommandLineRunner，并执行其run()方法。 //我们可以实现自己的ApplicationRunner或者CommandLineRunner，来对SpringBoot的启动过程进行扩展。 callRunners(context, applicationArguments); } catch (Throwable ex) { handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, listeners); throw new IllegalStateException(ex); }
 try { //应用已经启动完成的监听事件 listeners.running(context); } catch (Throwable ex) { handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, null); throw new IllegalStateException(ex); } return context; }

其实这个方法我们可以简单的总结下步骤为 ：

> 1. 配置属性 > 2. 获取监听器，发布应用开始启动事件 > 3. 初始化输入参数 > 4. 配置环境，输出 banner > 5. 创建上下文 > 6. 预处理上下文 > 7. 刷新上下文 > 8. 再刷新上下文 > 9. 发布应用已经启动事件 > 10. 发布应用启动完成事件。

其实上面这段代码，如果只要分析 tomcat 内容的话，只需要关注两个内容即可，上下文是如何创建的，上下文是如何刷新的，分别对应的方法就是 createApplicationContext() 和 refreshContext(context)，接下来我们来看看这两个方法做了什么。

protected ConfigurableApplicationContext createApplicationContext() { Class<!--?--> contextClass = this.applicationContextClass; if (contextClass == null) { try { switch (this.webApplicationType) { case SERVLET: contextClass = Class.forName(DEFAULT_SERVLET_WEB_CONTEXT_CLASS); break; case REACTIVE: contextClass = Class.forName(DEFAULT_REACTIVE_WEB_CONTEXT_CLASS); break; default: contextClass = Class.forName(DEFAULT_CONTEXT_CLASS); } } catch (ClassNotFoundException ex) { throw new IllegalStateException( "Unable create a default ApplicationContext, " + "please specify an ApplicationContextClass", ex); } } return (ConfigurableApplicationContext) BeanUtils.instantiateClass(contextClass); }

这里就是根据我们的 webApplicationType 来判断创建哪种类型的 Servlet,代码中分别对应着 Web 类型(SERVLET),响应式 Web 类型（REACTIVE),非 Web 类型（default),我们建立的是 Web 类型，所以肯定实例化 DEFAULT_SERVLET_WEB_CONTEXT_CLASS 指定的类，也就是 AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext 类，我们来用图来说明下这个类的关系

通过这个类图我们可以知道，这个类继承的是 ServletWebServerApplicationContext,这就是我们真正的主角，而这个类最终是继承了 AbstractApplicationContext，了解完创建上下文的情况后，我们再来看看刷新上下文，相关代码如下：

//类：SpringApplication.java
private void refreshContext(ConfigurableApplicationContext context) { //直接调用刷新方法 refresh(context); if (this.registerShutdownHook) { try { context.registerShutdownHook(); } catch (AccessControlException ex) { // Not allowed in some environments. } } }//类：SpringApplication.java
protected void refresh(ApplicationContext applicationContext) { Assert.isInstanceOf(AbstractApplicationContext.class, applicationContext); ((AbstractApplicationContext) applicationContext).refresh(); }

这里还是直接传递调用本类的 refresh(context)方法，最后是强转成父类 AbstractApplicationContext 调用其 refresh()方法,该代码如下：

// 类：AbstractApplicationContextpublic void refresh() throws BeansException, IllegalStateException { synchronized (this.startupShutdownMonitor) { // Prepare this context for refreshing. prepareRefresh();
 // Tell the subclass to refresh the internal bean factory. ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
 // Prepare the bean factory for use in this context. prepareBeanFactory(beanFactory);
 try { // Allows post-processing of the bean factory in context subclasses. postProcessBeanFactory(beanFactory);
 // Invoke factory processors registered as beans in the context. invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
 // Register bean processors that intercept bean creation. registerBeanPostProcessors(beanFactory);
 // Initialize message source for this context. initMessageSource();
 // Initialize event multicaster for this context. initApplicationEventMulticaster();
 // Initialize other special beans in specific context subclasses.这里的意思就是调用各个子类的onRefresh() onRefresh();
 // Check for listener beans and register them. registerListeners();
 // Instantiate all remaining (non-lazy-init) singletons. finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
 // Last step: publish corresponding event. finishRefresh(); }
 catch (BeansException ex) { if (logger.isWarnEnabled()) { logger.warn("Exception encountered during context initialization - " + "cancelling refresh attempt: " + ex); }
 // Destroy already created singletons to avoid dangling resources. destroyBeans();
 // Reset 'active' flag. cancelRefresh(ex);
 // Propagate exception to caller. throw ex; }
 finally { // Reset common introspection caches in Spring's core, since we // might not ever need metadata for singleton beans anymore... resetCommonCaches(); } } }

这里我们看到 onRefresh()方法是调用其子类的实现，根据我们上文的分析，我们这里的子类是 ServletWebServerApplicationContext。

//类：ServletWebServerApplicationContextprotected void onRefresh() { super.onRefresh(); try { createWebServer(); } catch (Throwable ex) { throw new ApplicationContextException("Unable to start web server", ex); } }
private void createWebServer() { WebServer webServer = this.webServer; ServletContext servletContext = getServletContext(); if (webServer == null && servletContext == null) { ServletWebServerFactory factory = getWebServerFactory(); this.webServer = factory.getWebServer(getSelfInitializer()); } else if (servletContext != null) { try { getSelfInitializer().onStartup(servletContext); } catch (ServletException ex) { throw new ApplicationContextException("Cannot initialize servlet context", ex); } } initPropertySources(); }

到这里，其实庐山真面目已经出来了，createWebServer()就是启动 web 服务，但是还没有真正启动 Tomcat，既然 webServer 是通过 ServletWebServerFactory 来获取的，我们就来看看这个工厂的真面目。

# 走进 Tomcat 内部

根据上图我们发现，工厂类是一个接口，各个具体服务的实现是由各个子类来实现的，所以我们就去看看 TomcatServletWebServerFactory.getWebServer()的实现。

@Override public WebServer getWebServer(ServletContextInitializer... initializers) { Tomcat tomcat = new Tomcat(); File baseDir = (this.baseDirectory != null) ? this.baseDirectory : createTempDir("tomcat"); tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath()); Connector connector = new Connector(this.protocol); tomcat.getService().addConnector(connector); customizeConnector(connector); tomcat.setConnector(connector); tomcat.getHost().setAutoDeploy(false); configureEngine(tomcat.getEngine()); for (Connector additionalConnector : this.additionalTomcatConnectors) { tomcat.getService().addConnector(additionalConnector); } prepareContext(tomcat.getHost(), initializers); return getTomcatWebServer(tomcat); }

根据上面的代码，我们发现其主要做了两件事情，第一件事就是把 Connnctor(我们称之为连接器)对象添加到 Tomcat 中，第二件事就是 configureEngine,这连接器我们勉强能理解（不理解后面会述说），那这个 Engine 是什么呢？我们查看 tomcat.getEngine()的源码：

public Engine getEngine() { Service service = getServer().findServices()[0]; if (service.getContainer() != null) { return service.getContainer(); } Engine engine = new StandardEngine(); engine.setName( "Tomcat" ); engine.setDefaultHost(hostname); engine.setRealm(createDefaultRealm()); service.setContainer(engine); return engine; }

根据上面的源码，我们发现，原来这个 Engine 是容器，我们继续跟踪源码，找到 Container 接口

上图中，我们看到了 4 个子接口，分别是 Engine,Host,Context,Wrapper。我们从继承关系上可以知道他们都是容器，那么他们到底有啥区别呢？我看看他们的注释是怎么说的。

/** If used, an Engine is always the top level Container in a Catalina * hierarchy. Therefore, the implementation's <code>setParent()</code> method * should throw <code>IllegalArgumentException</code>. * * @author Craig R. McClanahan */public interface Engine extends Container { //省略代码}/** * <p> * The parent Container attached to a Host is generally an Engine, but may * be some other implementation, or may be omitted if it is not necessary. * </p><p> * The child containers attached to a Host are generally implementations * of Context (representing an individual servlet context). * * @author Craig R. McClanahan */public interface Host extends Container {//省略代码
}/*** </p><p> * The parent Container attached to a Context is generally a Host, but may * be some other implementation, or may be omitted if it is not necessary. * </p><p> * The child containers attached to a Context are generally implementations * of Wrapper (representing individual servlet definitions). * </p><p> * * @author Craig R. McClanahan */public interface Context extends Container, ContextBind { //省略代码}/**</p><p> * The parent Container attached to a Wrapper will generally be an * implementation of Context, representing the servlet context (and * therefore the web application) within which this servlet executes. * </p><p> * Child Containers are not allowed on Wrapper implementations, so the * <code>addChild()</code> method should throw an * <code>IllegalArgumentException</code>. * * @author Craig R. McClanahan */public interface Wrapper extends Container {
 //省略代码}

上面的注释翻译过来就是，Engine 是最高级别的容器，其子容器是 Host,Host 的子容器是 Context,Wrapper 是 Context 的子容器，所以这 4 个容器的关系就是父子关系，也就是 Engine>Host>Context>Wrapper。我们再看看 Tomcat 类的源码:

//部分源码，其余部分省略。public class Tomcat {//设置连接器 public void setConnector(Connector connector) { Service service = getService(); boolean found = false; for (Connector serviceConnector : service.findConnectors()) { if (connector == serviceConnector) { found = true; } } if (!found) { service.addConnector(connector); } } //获取service public Service getService() { return getServer().findServices()[0]; } //设置Host容器 public void setHost(Host host) { Engine engine = getEngine(); boolean found = false; for (Container engineHost : engine.findChildren()) { if (engineHost == host) { found = true; } } if (!found) { engine.addChild(host); } } //获取Engine容器 public Engine getEngine() { Service service = getServer().findServices()[0]; if (service.getContainer() != null) { return service.getContainer(); } Engine engine = new StandardEngine(); engine.setName( "Tomcat" ); engine.setDefaultHost(hostname); engine.setRealm(createDefaultRealm()); service.setContainer(engine); return engine; } //获取server public Server getServer() {
 if (server != null) { return server; }
 System.setProperty("catalina.useNaming", "false");
 server = new StandardServer();
 initBaseDir();
 // Set configuration source ConfigFileLoader.setSource(new CatalinaBaseConfigurationSource(new File(basedir), null));
 server.setPort( -1 );
 Service service = new StandardService(); service.setName("Tomcat"); server.addService(service); return server; }
 //添加Context容器 public Context addContext(Host host, String contextPath, String contextName, String dir) { silence(host, contextName); Context ctx = createContext(host, contextPath); ctx.setName(contextName); ctx.setPath(contextPath); ctx.setDocBase(dir); ctx.addLifecycleListener(new FixContextListener());
 if (host == null) { getHost().addChild(ctx); } else { host.addChild(ctx); }
 //添加Wrapper容器 public static Wrapper addServlet(Context ctx, String servletName, Servlet servlet) { // will do class for name and set init params Wrapper sw = new ExistingStandardWrapper(servlet); sw.setName(servletName); ctx.addChild(sw);
 return sw; }
}

阅读 Tomcat 的 getServer()我们可以知道，Tomcat 的最顶层是 Server,Server 就是 Tomcat 的实例，一个 Tomcat 一个 Server;通过 getEngine()我们可以了解到 Server 下面是 Service，下，Context 也是多个；addServlet()表明 Wrapper 容器也是多个，而且这段代码也暗示了，其实 Wrapper 和 Servlet 是一层意思。另外我们根据 setConnector 源码可以知道，连接器(Connector)是设置在 service 下的，而且是可以设置多个连接器(Connector)。

根据上面分析，我们可以小结下：Tomcat 主要包含了 2 个核心组件，连接器(Connector)和容器(Container),用图表示如下：

一个 Tomcat 是一个 Server,一个 Server 下有多个 service，也就是我们部署的多个应用，一个应用下有多个连接器(Connector)和一个容器（Container）,容器下有多个子容器，关系用图表示如下：

Engine 下有多个 Host 子容器，Host 下有多个 Context 子容器，Context 下有多个 Wrapper 子容器。

# 总结

SpringBoot 的启动是通过 new SpringApplication()实例来启动的，启动过程主要做如下几件事情：

> 1. 配置属性 > 2. 获取监听器，发布应用开始启动事件 > 3. 初始化输入参数 > 4. 配置环境，输出 banner > 5. 创建上下文 > 6. 预处理上下文 > 7. 刷新上下文 > 8. 再刷新上下文 > 9. 发布应用已经启动事件 > 10. 发布应用启动完成事件。

来源：my.oschina.net/luozhou/blog/3088908

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