面试必会必知：tomcat 启动设计原理
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了面试必会必知：tomcat 启动设计原理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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作为我们最常用的Java服务器软件之一， tomcat已经经过了十多年的迭代，成为我们服务器上非常重要的一部分。那么 tomcat是如何启动的呢？
想要了解 tomcat是如何启动，那么就需要先明白 tomcat的设计。
理解tomcat的设计
如果要理解 tomcat的设计，我觉得就需要从 server.xml说起了，在 tomcat中，最常见的配置就是 server.xml了，以下是一份简化过的 server.xml：
<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN">
<Listener className="org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener" />
……
<Service name="Catalina">
<Executor name="tomcatThreadPool" namePrefix="catalina-exec-"
maxThreads="150" minSpareThreads="4"/>
<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
connectionTimeout="20000"
redirectPort="8443" />
<Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">
<Realm className="org.apache.catalina.realm.LockOutRealm">
<Realm className="org.apache.catalina.realm.UserDatabaseRealm"
resourceName="UserDatabase"/>
</Realm>
<Host name="localhost"
appBase="webapps"
unpackWARs="true"
autoDeploy="true">
<Valve className="org.apache.catalina.valves.AccessLogValve"
directory="logs"
prefix="localhost_access_log" suffix=".txt"
pattern="%h %l %u %t "%r" %s %b" />
</Host>
</Engine>
</Service>
</Server>
在以上配置中可以看出有以下这个结构的标签：
.
└── server
├── listener
└── service
├── connector
├── engine
│ ├── host
│ │ └── value
│ └── realm
└── executor
实际上，这里面的每一个标签代表了tomcat架构中的一个接口类(interface)，他们的对应关系：
server --> org.apache.catalina.Server
service --> org.apache.catalina.Service
connector --> org.apache.catalina.connector.Connector
engine --> org.apache.catalina.Engine
host --> org.apache.catalina.Host
realm --> org.apache.catalina.Realm
executor --> org.apache.catalina.Executor
Server
首先我们来分析下 server，这个类代表了一个 tomcat服务器(servlet容器)。他可以包含多个 service服务。
Service
而 service则包含了一个或多个 Connector和一个 Container。
在tomcat的容器设计中，将网络请求跟具体具体请求处理分别由 Connector和 Container来处理：
Connector：负责Socket网络连接的处理。Container：负责处理具体的servlet请求。
Container
实际上 Container包含了一类接口，包括：
| 标签 | 描述 |
|---|---|
| Engine | 表示Servlet引擎，作为最高级的容器，Engine是获取目标容器的入口 |
| Host | Servlet引擎中的虚拟机,多域名也是基于host实现的 |
| Context | 在Servlet规范中，一个Context，表示一个独立的 Web应用 |
| Wrapper | 表示web应用中定义的 Servlet |
也就是 engine和它包含的所有的标签代表的类， Container可以添加或者包含子容器，所以 service类中仅持有了 engine。
每一个 Container对象都会有一个对应的 StandardValve, Pipeline接口会维护一条 Value的职责链，将请求依次传递到每一级的容器中处理。
Connector
之前的文字中已经提到， Connector是负责处理 Socket端口信息的组件。
作为一个网络服务器，tomcat支持了多种协议(HTTP,AJP,WEBSOCKET等),多种通信方式(BIO,NIO,APR等)。在 Connector中这些部分的处理，都被封装到了 ProtocolHandler这个类的属性里面，它表示一个协议处理器，针对不同的协议和I/O方式，会有不同的实现。
Coyote是 tomcat默认的连接器( Connector)实现框架，作为独立的模块它只负责具体协议的处理和I/O处理，与servlet没有直接的联系，所以理论上，我们是可以更换成我们自己所希望的实现方式的。
Executor
每一个 service都会维护一个共享的线程池，tomcat监听socket端口，当接收到客户端请求后，会创建请求处理对象，并交由线程池处理，由此并发处理客户端请求。
Listener
在 server标签下，还有一个标签 listener，它的表示监听器，它会捕获存在节点的事件(比如在上面的配置中就配置在server标签，则表示这个listener存在server节点上)，并根据具体实现执行相对应的操作。
了解了每个标签的意义之后，我们就大概了解tomcat启动之后，各个部分是如何运作的了。
tomcat的启动过程
我们使用 tomcat的时候，一般在 Linux服务器上都是使用 catalina.sh脚本来启动服务器的。一般启动的命令：
./catalina.sh start
这句脚本在执行什么呢？打开脚本，定位到start子命令的位置，最关键的启动命令如下：
shift
touch "$CATALINA_OUT"
if [ "$1" = "-security" ] ; then
if [ $have_tty -eq 1 ]; then
echo "Using Security Manager"
fi
shift
eval $_NOHUP ""$_RUNJAVA"" ""$LOGGING_CONFIG"" $LOGGING_MANAGER $JAVA_OPTS $CATALINA_OPTS
-Djava.endorsed.dirs=""$JAVA_ENDORSED_DIRS"" -classpath ""$CLASSPATH""
-Djava.security.manager
-Djava.security.policy==""$CATALINA_BASE/conf/catalina.policy""
-Dcatalina.base=""$CATALINA_BASE""
-Dcatalina.home=""$CATALINA_HOME""
-Djava.io.tmpdir=""$CATALINA_TMPDIR""
org.apache.catalina.startup.Bootstrap "$@" start
>> "$CATALINA_OUT" 2>&1 "&"
else
eval $_NOHUP ""$_RUNJAVA"" ""$LOGGING_CONFIG"" $LOGGING_MANAGER $JAVA_OPTS $CATALINA_OPTS
-Djava.endorsed.dirs=""$JAVA_ENDORSED_DIRS"" -classpath ""$CLASSPATH""
-Dcatalina.base=""$CATALINA_BASE""
-Dcatalina.home=""$CATALINA_HOME""
-Djava.io.tmpdir=""$CATALINA_TMPDIR""
org.apache.catalina.startup.Bootstrap "$@" start
>> "$CATALINA_OUT" 2>&1 "&"
fi
if [ ! -z "$CATALINA_PID" ]; then
echo $! > "$CATALINA_PID"
fi
echo "Tomcat started."
从中可以看出 catalina.sh启动tomcat是执行了 org.apache.catalina.startup.Bootstrap的 start()方法， start()方法启动了 Catalina类的线程。
/**
* Start the Catalina daemon.
* @throws Exception Fatal start error
*/
public void start()
throws Exception {
if( catalinaDaemon==null ) init();
Method method = catalinaDaemon.getClass().getMethod("start", (Class [] )null);
method.invoke(catalinaDaemon, (Object [])null);
}
tomcat提供了 Bootstrap类作为服务器的命令处理器，由它创建 Catalina实例并根据外部传递的命令控制 Catalina的启动和关闭。 Bootstrap本身是一个单独的 JAR包被放到 $CATALINA_HOME/bin目录下面。而从上面的源码中会看到， Bootstrap总是通过Java的反射操作 Catalina，因为启动服务器这个过程对运行时没有多大的影响，这种方式实现了程序启动和服务核心代码的解耦。
而这种解耦带来的另外一个优势是tomcat在这一步，可以灵活地定制自己的类加载器，根据 servlet规范每一个Web应用都有独立的类加载器实例。
再回到 Catalina，它通过 Digester框架(XML解析框架)定义转换规则，将 server.xml中的配置标签都转换成对应的类实例，一个 tomcat程序这样就启动完毕了。
总结
tomcat的开发严格遵守了面向接口开发的设计规范，其软件的架构设计，启动的方式，配置文件的读取方式都非常值得我们借鉴到我们自己的系统平台中，我觉得能把握好微观的设计，才能做出更好的平台系统，正像 @左耳朵耗子 陈皓老师在博客中说的: "如果你要做好架构，首先你得把计算机体系结构以及很多老古董的基础技术吃透了。"
- The End -
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