Tomcat核心原理--学习笔记

Posted 2021-09-07 若曦`

• 1. Http服务器与Tomcat
• • (1) Http服务器的请求处理过程
  • (2) Tomcat中Http服务器的请求处理方式
  • • Servlet接口
    • Servlet容器的作用
    • tomcat容器创建servlet实例的过程
• 2. Tomcat的整体架构
• • (1) Tomcat的连接器--Coyote
  • • 连接器的作用
    • Coyote(连接器)与Catalina(容器)
    • Request与Response
    • Reponse的响应正文
    • ① Tomcat支持的I/O模型
    • ② 连接器的组件
  • (2) Tomcat的容器--Catalina
  • • ① 容器的层级结构

文中部分图片来自黑马程序员的视频截图

1. Http服务器与Tomcat

在网上的说法有很多种，比如Tomcat内嵌http服务器，或者说Tomcat本质就是一个Http服务器，其实两种说法都没问题，那Http服务器是什么呢？

从百度百科中可以得知，HTTP服务器一般指网站服务器，是指驻留于因特网上某种类型计算机的程序，可以处理浏览器等Web客户端的请求并返回相应响应。常见的Web服务器有Apache、 nginx 、IIS、Tomcat。

(1) Http服务器的请求处理过程

浏览器给服务器发送的是一个Http格式的请求，Http服务器收到这个请求后，需要调用服务端程序来处理请求，这个服务端程序在Javaweb中也就是指我们编写的Java类；那么不同的请求则需要不同的Java类来处理。

原始的Http服务器调用过程

在这种方式下呢，Http为了判断需要调用哪种业务类，需要在其中写许多if else等逻辑判断代码，严重耦合，为了进行解耦，Tomcat在其中添加了Servlet容器来进行解耦。

(2) Tomcat中Http服务器的请求处理方式

那么这时，当浏览器发送一个url请求，这时需要哪个业务类来进行对于的处理操作，这时不再由Http服务器进行判断，Http服务器会直接转发给Servlet容器，让Servlet容器去进行判断，调用相应的业务类.

其实这里的业务类其实就是Servlet，当业务类实现了Servlet接口之后，便成为了一个Servlet，也就能被用于Servlet容器中，这也就是在原生的Javaweb中，为什么业务类都需要实现Servlet或HttpServlet子接口的缘故。

那么这里我们就遇见了老朋友Servlet接口；

Servlet接口

package javax.servlet;   //Tomcat源码版本：6.0.20    
  import java.io.IOException;    
      
  public interface Servlet {       
  
  //负责初始化Servlet对象。容器一旦创建好Servlet对象后，就调用此方法来初始化Servlet对象      
     public void init(ServletConfig config) throws ServletException;        
  
   //方法负责响应客户的请求,提供服务。当容器接收到客户端要求访问特定的servlet请求时，就会调用Servlet的service方法      
      public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws ServletException, IOException;        
    /*   
      *Destroy()方法负责释放Servlet 对象占用的资源，当servlet对象结束生命周期时，servlet容器调用此方法来销毁servlet对象.   
    **/    
      public void destroy();    
      /*   
      说明：Init(),service(),destroy() 这三个方法是Servlet生命周期中的最重要的三个方法。   
      **/       
      /*   
      *返回一个字符串，在该字符串中包含servlet的创建者，版本和版权等信息   
      **/    
      public String getServletInfo();      
          
      /*   
     GetServletConfig: 返回一个ServletConfig对象，该对象中包含了Servlet初始化参数信息    
     **/        
      public ServletConfig getServletConfig();      
  } 

接着1.2中Servlet容器判断请求后，想调用对应的Servlet类时，如果对应Servlet类还未加载到容器中，那么就会通过反射机制，调用Servlet的init()方法去初始化对应的Servlet。

那么其中的逻辑处理，也就是调用的Servlet中的Service()方法。

整个处理流程也就如下图

Servlet容器的作用

• 定位Servlet ：Http服务器发送过来一个ServletRequest请求，判断需要哪个Servlet去处理
• 加载Servlet：通过反射机制，调用init()方法，将业务类封装成一个servlet加载到servlet容器中
• 调用Servlet：调用Servlet的service()方法，将结果集封装成一个ServletResponse返回给Http服务器

tomcat容器创建servlet实例的过程

当容器启动时，会读取在webapps目录下所有的web应用中的web.xml文件，然后对xml文件进行解析，并读取servlet注册信息。

然后，将每个应用中注册的servlet类都进行加载，并通过反射的方式实例化。（有时候也是在第一次请求时实例化）

在servlet注册时加上1如果为正数，则在一开始就实例化，如果不写或为负数，则第一次请求实例化。

2. Tomcat的整体架构

通过1.1与1.2，就可以明白实现Tomcat的大致思想，在Tomcat要实现两个核心功能

• 处理Socket连接，负责网络字节流与Request和Response对象的转化
• 加载和管理Servlet，处理Request请求

因此Tomcat设计了两个核心组件连接器（Connector）和容器（Container）来分别做这两件事情；连接器负责对外交流，容器负责内部处理。

(1) Tomcat的连接器–Coyote

连接器的作用

• 将Socket请求转换为一个ServletRequest对象，并交予容器进行处理
• 将容器返回的ServletResponse对象解析后，响应给前端
  

Coyote(连接器)与Catalina(容器)

Coyote 是Tomcat的连接器框架的名称 , 是Tomcat服务器提供的供客户端访问的外部接
口。客户端通过Coyote与服务器建立连接、发送请求并接受响应 。

Catalina也就是Tomcat容器框架的名称。

Coyote 封装了底层的网络通信（Socket 请求及响应处理），为Catalina 容器提供了统一
的接口，使Catalina 容器与具体的请求协议及IO操作方式完全解耦。

Coyote 将Socket 输入转换封装为 Request 对象，交由Catalina 容器进行处理；
处理请求完成后, Catalina 通过Coyote 提供的Response 对象将结果写入输出流 。

Catalina最终使用HttpServletResponse将结果集写入输出流，谈到Response输出流，首先得明白Request和Response，这里就再概括一下

Request与Response

当浏览器发送一个请求，当Http服务器接受之后，就会创建一个request和response对象，然后把请求发送的数据封装到request对象中；

在Catalina中会将Request和Response对象封装成HttpServletRequest及HttpServletResponse；然后将这两个对象作为参数传递给Servlet的Service()方法。

Reponse的响应正文

Response的响应正文也就是响应流，通俗点说就是响应对象；响应正文是在浏览器上真正显示的内容。

Response的响应正文分为响应字节流与响应字节，本质是通过IO流操作的。

• getWriter(); 字符流
• getOutputStream(); 字节流

这里就不探讨Request与Response获取数据的细节了，知识点可以看这几篇博客

Request的功能_获取请求行数据和获取请求头数据
HttpServletresponse响应数据的方式

Response响应正文知识点的补充

① Tomcat支持的I/O模型

在Coyote中，Tomcat支持多种I/O模型和应用层协议；

IO模型	简介
BIO	阻塞式IO，即Tomcat使用传统的java.io进行操作。该模式下每个请求都会创建一个线程，对性能开销大，不适合高并发场景。优点是稳定，适合连接数目小且固定架构。
NIO	非阻塞式IO，jdk1.4 之后实现的新IO。该模式基于多路复用选择器监测连接状态在通知线程处理，从而达到非阻塞的目的。比传统BIO能更好的支持并发性能。Tomcat 8.0之后默认采用该模式
AIO	异步非阻塞式IO，jdk1.7后之支持 。与nio不同在于不需要多路复用选择器，而是请求处理线程执行完程进行回调调知，已继续执行后续操作。Tomcat 8之后支持。
APR	全称是 Apache Portable Runtime/Apache可移植运行库)，是Apache HTTP服务器的支持库。可以简单地理解为，Tomcat将以JNI的形式调用Apache HTTP服务器的核心动态链接库来处理文件读取或网络传输操作。使用需要编译安装APR 库

在 8.0 之前，Tomcat 默认采用的I/O方式为 BIO，之后改为 NIO；无论是 NIO、NIO2还是 APR， 在性能方面均优于以往的BIO。

补充点：

Tomcat为了实现支持多种I/O模型和应用层协议，一个容器可能对接多个连接器，就好比
一个房间有多个门；
容器与连接器组装后这个整体叫作Service组件。Service本身是在连接器和容器外面多包了一层，把它们组装在一起；
一个Tomcat服务器内可能有多个Service组件，这样的设计也是出于灵活性的考虑。通过在Tomcat中配置多个Service，可以实现通过不同的端口号来访问同一台机器上部署的不同应用。

② 连接器的组件

EndPoint
1） EndPoint ： Coyote 通信端点，即通信监听的接口，是Socket接收和发送的处理
器，是对传输层的抽象，因此EndPoint是用来实现TCP/IP协议的。

2） Tomcat 并没有EndPoint 接口，而是提供了一个抽象类AbstractEndpoint ，里面定义了两个内部类：Acceptor(监听者)和SocketProcessor(套接字处理器)。

Acceptor用于监听Socket连接请求。
SocketProcessor用于处理接收到的Socket请求，它实现了Runnable接口，在Run方法里调用协议处理组件Processor进行处理。
为了提高处理能力，SocketProcessor被提交到线程池来执行；而这个线程池叫作标准线程执行器（StandardThreadExecutor)

Tomcat没有使用JDK的原生线程池，而是在其基础上进行了拓展，这是因为原生的JDK线程池比较适合CPU密集的操作，而Tomcat通常需要IO密集的操作

源码层面的分析可以看这篇博客 原生线程池这么强大，Tomcat 为何还需扩展线程池？

应用方面的理解可以看这篇 对Tomcat线程池的一些理解

(2) Tomcat的容器–Catalina

Tomcat是一个由一系列可配置的组件构成的Web容器，而Catalina是Tomcat的servlet容器。

从Tomcat模块分层图可以看出，Catalina便是Tomcat中最重要的部分。

Tomcat 本质上就是一款 Servlet 容器，因此Catalina 才是 Tomcat 的核心，其他模块
都是为Catalina 提供支撑的。

• 通过Coyote 模块提供链接通信；
• Jasper 模块提供JSP引擎；
• Naming 提供JNDI 服务；
• Juli 提供日志服务；

① 容器的层级结构

容器	描述
Engine	表示整个Catalina的Servlet引擎，用来管理多个虚拟站点，一个Service最多只能有一个Engine，但是一个引擎可包含多个Host
Host	代表一个虚拟主机，或者说一个站点，可以给Tomcat配置多个虚拟主机地址，而一个虚拟主机下可包含多个Context
Context	表示一个Web应用程序， 一个Web应用可包含多个Wrapper
Wrapper	表示一个Servlet，Wrapper 作为容器中的最底层，不能包含子容器

也可以通过Tomcat的server.xml配置来加深对Tomcat容器层级结构的理解。

持续更新中…