tomcat整体架构

Posted 2021-01-24 众妙之门

1.背景

        Tomcat作为JavaWeb领域的Web容器，目前在我们淘宝也使用的也非常广泛，现在基本上所有线上业务系统都是部署在Tomcat上。为了对平时开发的Web系统有更深入的理解以及出于好奇心对我们写的Web系统是如何跑在Tomcat上的，于是仔细研究了下Tomcat的源码。大家都知道Servlet规范是Java领域中为服务端编程制定的规范，对于我们开发者只是关注了Servlet规范中提供的编程组件(ServletContextListener,Filer,Servlet) 等 ，但是规范中还有一些我们经常使用的接口（ServletContext,ServletRequest,ServletResponse,FilterChain）等都是由Tomcat去实现的，并且我们开发者实现的编程组件只是被Tomcat去回调而已。所以看Tomcat源码实现也有助于我们更好的理解Servlet规范及系统如何在容器中运行(一些开源的MVC框架如Struts2,Webx,SpringMVC本质无非就是这个)

2.Tomcat体系结构

        仔细查看下图（网络上描述Tomcat架构比较清晰的一张图），不难发现其中的Connecotr组件以及与Container组件是Tomcat的核心。一个Server可以有多个Service，而一个Service可以包含了多个Connector组件和一个Engine容器组件，一个Engine可以由多个虚拟主机Host组成，每一个Host下面又可以由多个Web应用Context构成，每一个的Context下面可以包含多个Wrapper（Servlet的包装器）组成。

       Tomcat将Engine，Host，Context，Wrapper统一抽象成Container。一个抽象的Container模块可以包含各种服务。例如，Manager管理器（Session管理），Pipeline管道（ 维护管道阀门Value ）等。Lifecycle接口统一定义了容器的生命周期，通过事件机制实现各个容器间的内部通讯。而容器的核心接口Container的抽象实现中定义了一个Pipeline，一个Manager，一个Realm以及ClassLoader统一了具体容器的实现规范。连接器（Connector）组件的主要任务是为其所接收到的每一个请求（可以是HTTP协议，也可以AJP协议），委托给具体相关协议的解析类ProtocolHandler，构造出Request 对象和Response 对象。然后将这两个对象传送给容器（Container）进行处理。容器（Container）组件收到来自连接器（Connector）的Request 和Response对象后，负责调用Filter，最后调用Servlet的service 方法（进入我们开发的Web系统中）。

1.Server组件：Server是最顶级的组件，代表Tomcat的运行实例；包含Listener组件用以监听生命周期中的各种事件；包含GlobalNamingResources组件用以集成JNDI；包含Service组件用以提供服务。

2.Service组件：Service是服务的抽象，代表请求从接受到处理的所有组件的集合；Server组件可以包含多个Service组件；包含Connector组件用以接收客户端的信息；包含Engine组件用以处理请求；包含Executor用以提供线程池执行任务。

3.Connector组件：接收客户端连接并接收信息报文，信息报文经由它解析后送往容器中处理；包含Mapper组件对请求地址进行路由；包含CoyoteAdaptor组件用以将Connector组件和Engine等容器组件适配起来；包含Protocol组件用以接收客户端连接、接收客户端信息报文、报文解析处理、对客户端响应等整个过程。

4.Protocol组件：包含JioEndPoint组件，其中的Acceptor组件将启动某个端口的监听，将监听到的请求放入线程池Executor组件，其中的Processor组件对HTTP协议解析并传递到Engine容器继续处理；NIO模式下NioEndPoint多了一个Poller组件轮询多个客户端连接处理事件。

Engine组件：代表全局Servlet引擎；每个Service组件只能包含一个Engine容器组件；包含Listener组件用以在生命周期中对Engine相关的事件进行监听；包含AccessLog组件以记录访问日志；包含Cluster组件以提供集群功能，将需要共享的数据同步到集群中的其他Tomcat实例中；包含Pipeline组件用以处理请求；包含Realm组件用以提供安全权限功能。

5.Host组件：代表虚拟主机；一个Engine组件可以包含若干个Host容器组件；包含Listener组件用以在生命周期中对Host相关的事件进行监听；包含AccessLog组件以记录访问日志；包含Cluster组件以提供集群功能，将需要共享的数据同步到集群中的其他Tomcat实例中；包含Pipeline组件用以处理请求；包含Realm组件用以提供安全权限功能。

6.Context组件：是Web应用的抽象，Web应用部署到Tomcat后运行时就会转化成Context对象；包含了各种静态资源、若干Servlet（Wrapper容器）以及各种其他动态资源；

　　包含Listener组件用以在生命周期中对Context相关的事件进行监听；

　　包含AccessLog组件以记录访问日志；

　　包含Pipeline组件用以处理请求；

　　包含Realm组件用以提供安全权限功能；

　　包含Loader组件用以加载Web应用的资源，保证不同Web应用之间的资源隔离；

　　包含Manager组件用以管理Web容器的会话，包括维护会话的生成、更新和销毁；

　　包含NamingResource组件将Tomcat配置文件的server.xml和Web应用的context.xml资源和属性映射到内存中；

7.Mapper组件用以作为路由映射Servlet。

8.Wrapper组件：对应的是Servlet；包含Web应用开发常用的Servlet组件；包含ServletPool组件用以存放Servlet对象，当Web应用的Servlet实现了SingleThreadModel接口时则会再Wrapper中产生一个Servlet对象池，线程执行时，需先从对象池中获取到一个Servlet对象，ServletPool组件能保证Servlet对象的线程安全；包含Pipeline组件用以处理请求。

我们从功能的角度将Tomcat源代码分成5个子模块，它们分别是：

1. Jsper子模块：这个子模块负责jsp页面的解析、jsp属性的验证，同时也负责将jsp页面动态转换为java代码并编译成class文件。在Tomcat源代码中，凡是属于org.apache.jasper包及其子包中的源代码都属于这个子模块；
2. Servlet和Jsp规范的实现模块：这个子模块的源代码属于javax.servlet包及其子包，如我们非常熟悉的javax.servlet.Servlet接口、javax.servet.http.HttpServlet类及javax.servlet.jsp.HttpJspPage就位于这个子模块中；
3. Catalina子模块：这个子模块包含了所有以org.apache.catalina开头的java源代码。该子模块的任务是规范了Tomcat的总体架构，定义了Server、Service、Host、Connector、Context、Session及Cluster等关键组件及这些组件的实现，这个子模块大量运用了Composite设计模式。同时也规范了Catalina的启动及停止等事件的执行流程。从代码阅读的角度看，这个子模块应该是我们阅读和学习的重点。
4. Connectors子模块：如果说上面三个子模块实现了Tomcat应用服务器的话，那么这个子模块就是Web服务器的实现。所谓连接器(Connector)就是一个连接客户和应用服务器的桥梁，它接收用户的请求，并把用户请求包装成标准的Http请求(包含协议名称，请求头Head，请求方法是Get还是Post等等)。同时，这个子模块还按照标准的Http协议，负责给客户端发送响应页面，比如在请求页面未发现时，connector就会给客户端浏览器发送标准的Http 404错误响应页面。
5. Resource子模块：这个子模块包含一些资源文件，如Server.xml及Web.xml配置文件。严格说来，这个子模块不包含java源代码，但是它还是Tomcat编译运行所必需的。