Apache Tomcat

Posted 2022-10-23 怀瑾Hello World

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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Apache Tomcat相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Tomcat讲解

第⼀部分：Tomcat 系统架构与原理剖析
第⼆部分：Tomcat 服务器核⼼配置详解
第三部分：⼿写实现迷你版 Tomcat
第四部分：Tomcat 源码构建及核⼼流程源码剖析
第五部分：Tomcat 类加载机制剖析
第六部分：Tomcat 对 Https 的⽀持及 Tomcat 性能优化策略

说明：本课程基于 8.5.50 版本的 Tomcat 讲解

第⼀部分：Tomcat 系统架构与原理剖析

b/s（浏览器/服务器模式）浏览器是客户端（发送http请求） ———> 服务器端

第 1 节浏览器访问服务器的流程

http请求的处理过程

注意：浏览器访问服务器使⽤的是Http协议，Http是应⽤层协议，⽤于定义数据通信的格式，具体的数据传输使⽤的是TCP/IP协议

第 2 节 Tomcat 系统总体架构

2.1 Tomcat 请求处理⼤致过程

Tomcat是⼀个Http服务器（能够接收并且处理http请求，所以tomcat是⼀个http服务器）
我们使⽤浏览器向某⼀个⽹站发起请求，发出的是Http请求，那么在远程，Http服务器接收到这个请求之后，会调⽤具体的程序（Java类）进⾏处理，往往不同的请求由不同的Java类完成处理。

HTTP 服务器接收到请求之后把请求交给Servlet容器来处理，Servlet 容器通过Servlet接⼝调⽤业务类。Servlet接⼝和Servlet容器这⼀整套内容叫作Servlet规范。

注意：Tomcat既按照Servlet规范的要求去实现了Servlet容器，同时它也具有HTTP服务器的功能。

Tomcat的两个重要身份
1）http服务器
2）Tomcat是⼀个Servlet容器

2.2 Tomcat Servlet容器处理流程

当⽤户请求某个URL资源时
1）HTTP服务器会把请求信息使⽤ServletRequest对象封装起来
2）进⼀步去调⽤Servlet容器中某个具体的Servlet
3）在 2）中，Servlet容器拿到请求后，根据URL和Servlet的映射关系，找到相应的Servlet
4）如果Servlet还没有被加载，就⽤反射机制创建这个Servlet，并调⽤Servlet的init⽅法来完成初始化
5）接着调⽤这个具体Servlet的service⽅法来处理请求，请求处理结果使⽤ServletResponse对象封装
6）把ServletResponse对象返回给HTTP服务器，HTTP服务器会把响应发送给客户端

2.3 Tomcat 系统总体架构

通过上⾯的讲解，我们发现tomcat有两个⾮常重要的功能需要完成
1）和客户端浏览器进⾏交互，进⾏socket通信，将字节流和Request/Response等对象进⾏转换
2）Servlet容器处理业务逻辑

Tomcat 设计了两个核⼼组件连接器（Connector）和容器（Container）来完成 Tomcat 的两⼤核⼼功能。

连接器，负责对外交流：处理Socket连接，负责⽹络字节流与Request和Response对象的转化；

容器，负责内部处理：加载和管理Servlet，以及具体处理Request请求；

第 3 节 Tomcat 连接器组件 Coyote

3.1 Coyote 简介

Coyote 是Tomcat 中连接器的组件名称 , 是对外的接⼝。客户端通过Coyote与服务器建⽴连接、发送请求并接受响应。
（1）Coyote 封装了底层的⽹络通信（Socket 请求及响应处理）
（2）Coyote 使Catalina 容器（容器组件）与具体的请求协议及IO操作⽅式完全解耦
（3）Coyote 将Socket 输⼊转换封装为 Request 对象，进⼀步封装后交由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
（4）Coyote 负责的是具体协议（应⽤层）和IO（传输层）相关内容

Tomcat Coyote ⽀持的 IO模型与协议
Tomcat⽀持多种应⽤层协议和I/O模型，如下：

在 8.0 之前，Tomcat 默认采⽤的I/O⽅式为 BIO，之后改为 NIO。⽆论 NIO、NIO2 还是 APR，在性能⽅⾯均优于以往的BIO。如果采⽤APR，甚⾄可以达到 Apache HTTP Server 的影响性能。

3.2 Coyote 的内部组件及流程

Coyote 组件及作⽤

组件	作⽤描述
EndPoint	EndPoint 是 Coyote 通信端点，即通信监听的接⼝，是具体Socket接收和发送处理器，是对传输层的抽象，因此EndPoint⽤来实现TCP/IP协议的
Processor	Processor 是Coyote 协议处理接⼝，如果说EndPoint是⽤来实现TCP/IP协议的，那么Processor⽤来实现HTTP协议，Processor接收来⾃EndPoint的Socket，读取字节流解析成Tomcat Request和Response对象，并通过Adapter将其提交到容器处理，Processor是对应⽤层协议的抽象
ProtocolHandler	Coyote 协议接⼝，通过Endpoint 和 Processor ，实现针对具体协议的处理能⼒。Tomcat 按照协议和I/O 提供了6个实现类： AjpNioProtocol ，AjpAprProtocol，AjpNio2Protocol ， Http11NioProtocol ，Http11Nio2Protocol ，Http11AprProtocol
Adapter	由于协议不同，客户端发过来的请求信息也不尽相同，Tomcat定义了⾃⼰的Request类来封装这些请求信息。ProtocolHandler接⼝负责解析请求并⽣成Tomcat Request类。但是这个Request对象不是标准的ServletRequest，不能⽤Tomcat Request作为参数来调⽤容器。Tomcat设计者的解决⽅案是引⼊CoyoteAdapter，这是适配器模式的经典运⽤，连接器调⽤CoyoteAdapter的Sevice⽅法，传⼊的是Tomcat Request对象，CoyoteAdapter负责将Tomcat Request转成ServletRequest，再调⽤容器

第 4 节 Tomcat Servlet 容器 Catalina

4.1 Tomcat 模块分层结构图及Catalina位置

Tomcat是⼀个由⼀系列可配置（conf/server.xml）的组件构成的Web容器，⽽Catalina是Tomcat的servlet容器。

从另⼀个⻆度来说，Tomcat 本质上就是⼀款 Servlet 容器，因为 Catalina 才是 Tomcat 的核⼼，其他模块都是为Catalina 提供⽀撑的。⽐如：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。

4.2 Servlet 容器 Catalina 的结构

Tomcat（我们往往有⼀个认识，Tomcat就是⼀个Catalina的实例，因为Catalina是Tomcat的核⼼）

Tomcat/Catalina实例

其实，可以认为整个Tomcat就是⼀个Catalina实例，Tomcat 启动的时候会初始化这个实例，Catalina实例通过加载server.xml完成其他实例的创建，创建并管理⼀个Server，Server创建并管理多个服务，每个服务⼜可以有多个Connector和⼀个Container。
⼀个Catalina实例（容器）
⼀个 Server实例（容器）
多个Service实例（容器）
每⼀个Service实例下可以有多个Connector实例和⼀个Container实例

Catalina
负责解析Tomcat的配置⽂件（server.xml） , 以此来创建服务器Server组件并进⾏管理
Server
服务器表示整个Catalina Servlet容器以及其它组件，负责组装并启动Servlaet引擎,Tomcat连接器。Server通过实现Lifecycle接⼝，提供了⼀种优雅的启动和关闭整个系统的⽅式
Service
服务是Server内部的组件，⼀个Server包含多个Service。它将若⼲个Connector组件绑定到⼀个Container
Container
容器，负责处理⽤户的servlet请求，并返回对象给web⽤户的模块

4.3 Container 组件的具体结构

Container组件下有⼏种具体的组件，分别是Engine、Host、Context和Wrapper。这4种组件（容器）是⽗⼦关系。Tomcat通过⼀种分层的架构，使得Servlet容器具有很好的灵活性。

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

上述组件的配置其实就体现在conf/server.xml中。

第⼆部分：Tomcat 服务器核⼼配置详解

问题⼀：去哪⼉配置？核⼼配置在tomcat⽬录下conf/server.xml⽂件
问题⼆：怎么配置？

Tomcat 作为服务器的配置，主要是 server.xml ⽂件的配置；
server.xml中包含了 Servlet容器的相关配置，即 Catalina 的配置；
Xml ⽂件的讲解主要是标签的使⽤

主要标签结构如下：

<!--
	Server 根元素，创建一个Server实例，子标签有 Listener、GlobalNamingResources、
	Service
-->
<Server>
	<!--定义监听器-->
	<Listener/>
	<!--定义服务器的全局JNDI资源 -->
	<GlobalNamingResources/>
	<!--
		定义一个Service服务，一个Server标签可以有多个Service服务实例
	-->
	<Service/>
</Server>

Server 标签

<!--
	port：关闭服务器的监听端口
	shutdown：关闭服务器的指令字符串
-->
<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN">
	<!-- 以⽇志形式输出服务器 、操作系统、JVM的版本信息 -->
	<Listener className="org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener" />
	<!-- Security listener. Documentation at /docs/config/listeners.html
	<Listener className="org.apache.catalina.security.SecurityListener" />
	-->
	<!--APR library loader. Documentation at /docs/apr.html -->
	<!-- 加载（服务器启动） 和 销毁 （服务器停⽌） APR。 如果找不到APR库， 则会输出日志， 并
	不影响 Tomcat启动 -->
	<Listener className="org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener"
	SSLEngine="on" />
	<!-- Prevent memory leaks due to use of particular java/javax APIs-->
	<!-- 避免JRE内存泄漏问题 -->
	<Listener
	className="org.apache.catalina.core.JreMemoryLeakPreventionListener" />
	<!-- 加载（服务器启动） 和 销毁（服务器停止） 全局命名服务 -->
	<Listener
	className="org.apache.catalina.mbeans.GlobalResourcesLifecycleListener" />
	<!-- 在Context停止时重建 Executor 池中的线程， 以避免ThreadLocal 相关的内存泄漏 -->
	<Listener
	className="org.apache.catalina.core.ThreadLocalLeakPreventionListener" />
	<!-- Global JNDI resources
	Documentation at /docs/jndi-resources-howto.html
	GlobalNamingResources 中定义了全局命名服务
	-->
	<GlobalNamingResources>
	<!-- Editable user database that can also be used by
	UserDatabaseRealm to authenticate users
	-->
		<Resource name="UserDatabase" auth="Container"
		type="org.apache.catalina.UserDatabase"
		description="User database that can be updated and saved"
		factory="org.apache.catalina.users.MemoryUserDatabaseFactory"
		pathname="conf/tomcat-users.xml" />
	</GlobalNamingResources>
	<!-- A "Service" is a collection of one or more "Connectors" that share
	a single "Container" Note: A "Service" is not itself a "Container",
	so you may not define subcomponents such as "Valves" at this level.
	Documentation at /docs/config/service.html
	-->
	<Service name="Catalina">
	...
	</Service>
</Server>

Service 标签

<!--
	该标签用于创建 Service 实例，默认使用org.apache.catalina.core.StandardService。
	默认情况下，Tomcat 仅指定了Service 的名称， 值为 "Catalina"。
	Service ⼦标签为 ： Listener、Executor、Connector、Engine，
	其中：
	Listener 用于为Service添加生命周期监听器，
	Executor 用于配置Service 共享线程池，
	Connector 用于配置Service 包含的链接器，
	Engine 用于配置Service中链接器对应的Servlet 容器引擎
-->
<Service name="Catalina">
...
</Service>

Executor 标签

<!--
	默认情况下，Service 并未添加共享线程池配置。 如果我们想添加一个线程池， 可以在
	<Service> 下添加如下配置：
	name：线程池名称，用于 Connector中指定
	namePrefix：所创建的每个线程的名称前缀，一个单独的线程名称为
		namePrefix+threadNumber
	maxThreads：池中最大线程数
	minSpareThreads：活跃线程数，也就是核心池线程数，这些线程不会被销毁，会一直存在
	maxIdleTime：线程空闲时间，超过该时间后，空闲线程会被销毁，默认值为6000（1分钟），单位
		毫秒
	maxQueueSize：在被执行前最大线程排队数目，默认为Int的最大值，也就是广义的无限。除非特
		殊情况，这个值不需要更改，否则会有请求不会被处理的情况发生
	prestartminSpareThreads：启动线程池时是否启动 minSpareThreads部分线程。默认值为
		false，即不启动
	threadPriority：线程池中线程优先级，默认值为5，值从1到10
	className：线程池实现类，未指定情况下，默认实现类为
	org.apache.catalina.core.StandardThreadExecutor。如果想使用自定义线程池首先需要实现
	org.apache.catalina.Executor接口
-->
<Executor name="commonThreadPool"
namePrefix="thread-exec-"
maxThreads="200"
minSpareThreads="100"
maxIdleTime="60000"
maxQueueSize="Integer.MAX_VALUE"
prestartminSpareThreads="false"
threadPriority="5"
className="org.apache.catalina.core.StandardThreadExecutor"/>

Connector 标签
Connector 标签⽤于创建链接器实例
默认情况下，server.xml 配置了两个链接器，⼀个⽀持HTTP协议，⼀个⽀持AJP协议
⼤多数情况下，我们并不需要新增链接器配置，只是根据需要对已有链接器进⾏优化

<!--
port：
	端口号，Connector 用于创建服务端Socket 并进行监听， 以等待客户端请求链接。如果该属性设置为0， Tomcat将会随机选择⼀个可用的端⼝号给当前Connector 使用
protocol：
	当前Connector ⽀持的访问协议。 默认为 HTTP/1.1 ， 并采用自动切换机制选择⼀个基于 JAVA NIO 的链接器或者基于本地APR的链接器（根据本地是否含有Tomcat的本地库判定）
connectionTimeOut:
	Connector 接收链接后的等待超时时间， 单位为 毫秒。 -1 表示不超时。
redirectPort：
	当前Connector 不支持SSL请求， 接收到了一个请求， 并且也符合security-constraint 约束，需要SSL传输，Catalina⾃动将请求重定向到指定的端口。
executor：
	指定共享线程池的名称， 也可以通过maxThreads、minSpareThreads 等属性配置内部线程池。
URIEncoding:
	用于指定编码URI的字符编码， Tomcat8.x版本默认的编码为 UTF-8 , Tomcat7.x版本默认为ISO-8859-1
-->
<!--org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol ， 非阻塞式 Java NIO 链接器-->
<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1" connectionTimeout="20000"
redirectPort="8443" />
<Connector port="8009" protocol="AJP/1.3" redirectPort="8443" />

可以使⽤共享线程池

<Connector port="8080"
protocol="HTTP/1.1"
executor="commonThreadPool"
maxThreads="1000"
minSpareThreads="100"
acceptCount="1000"
maxConnections="1000"
connectionTimeout="20000"
compression="on"
compressionMinSize="2048"
disableUploadTimeout="true"
redirectPort="8443"
URIEncoding="UTF-8" />

Engine 标签
Engine 表示 Servlet 引擎

<!--
name： 用于指定Engine 的名称， 默认为Catalina
defaultHost：默认使⽤的虚拟主机名称， 当客户端请求指向的主机无效时， 将交由默认的虚拟主机处
理， 默认为localhost
-->
<Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">
...
</Engine>

Host 标签
Host 标签⽤于配置⼀个虚拟主机

<Host name="localhost" appBase="webapps" unpackWARs="true" autoDeploy="true">
...
</Host>

Context 标签
Context 标签⽤于配置⼀个Web应⽤，如下：

<Host name="www.abc.com" appBase="webapps" unpackWARs="true"
autoDeploy="true">
<!--
docBase：Web应用目录或者War包的部署路径。可以是绝对路径，也可以是相对于 Host appBase的
相对路径。
path：Web应⽤的Context 路径。如果我们Host名为localhost， 则该web应用访问的根路径为：
http://localhost:8080/web_demo。
-->
<Context docBase="/Users/yingdian/web_demo" path="/web3"></Context>
	<Valve className="org.apache.catalina.valves.AccessLogValve"
	directory="logs"
	prefix="localhost_access_log" suffix=".txt"
	pattern="%h %l %u %t &quot;%r&quot; %s %b" />
</Host>

第三部分：⼿写实现迷你版 Tomcat

名称：Minicat
Minicat要做的事情：作为⼀个服务器软件提供服务的，也即我们可以通过浏览器客户端发送http请求，
Minicat可以接收到请求进⾏处理，处理之后的结果可以返回浏览器客户端。
1）提供服务，接收请求（Socket通信）
2）请求信息封装成Request对象（Response对象）
3）客户端请求资源，资源分为静态资源（html）和动态资源（Servlet）
4）资源返回给客户端浏览器
我们递进式完成以上需求，提出V1.0、V2.0、V3.0版本的需求
V1.0需求：浏览器请求http://localhost:8080,返回⼀个固定的字符串到⻚⾯"Hello Minicat!"
V2.0需求：封装Request和Response对象，返回html静态资源⽂件
V3.0需求：可以请求动态资源（Servlet）
完成上述三个版本后，我们的代码如下

Bootstrap 启动类

package server;

import org.dom4j.DocumentException;
import org.dom4j.Element;
import org.dom4j.Node;
import org.dom4j.io.SAXReader;

import javax.xml.parsers.SAXParser;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.*;

/**
 * Minicat主类
 */
public class Bootstrap 

    /**定义socket监听的端口号*/
    private int port = 8080;

    public int getPort() 
        return port;
    

    public void setPort(int port) 
        this.port = port;
    

    /**
     * Minicat启动需要初始化展开的⼀些操作
     */
    public void start() throws Exception 

        // 加载配置文件,web.xml
        loadServlet();

        // 定义线程池
        int corePoolSize = 10;
        int maximumPoolSize = 50;
        long keepAliveTime = 100L;
        TimeUnit unit = TimeUnit.SECONDS;
        BlockingQueue<Runnable> workQueue = new ArrayBlockingQueue<>(50);
        ThreadFactory threadFactory = Executors.defaultThreadFactory();
        RejectedExecutionHandler handler = new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy();
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
                corePoolSize,
                maximumPoolSize,
                keepAliveTime,
                unit,
                workQueue,
                threadFactory,
                handler);

        /**
        完成Minicat 1.0版本
            需求：浏览器请求http://localhost:8080,返回⼀个固定的字符串到⻚
            ⾯"Hello Minicat!"
        */
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
        System.out.println("=====>>>Minicat start on port：" + port);

        /*while (true)
            Socket socket = serverSocket.accept();
            // 有了socket，接收到请求，获取输出流
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();

            String data = "hello Minicat!";
            String responseText = HttpProtocolUtil.getHttpHeader200(data.getBytes().length) + data;
            outputStream.write(responseText.getBytes());
            socket.close();
        */


        /**
         * 完成Minicat 2.0版本
         * 需求：封装Request和Response对象，返回html静态资源⽂件
         */
        /*while(true)
            Socket socket = serverSocket.accept();

            // 封装Request对象和Response对象
            Request request = new Request(socket.getInputStream());
            Response response = new Response(socket.getOutputStream());

            response.outputHtml(request.getUrl());
            socket.close();
        */

        /**
         * 完成Minicat 3.0版本
         * 需求：可以请求动态资源（Servlet）
         */
        /*while(true)
            Socket socket = serverSocket.accept();

            // 封装Request对象和Response对象
            Request request = new Request(socket.getInputStream());
            Response response = new Response(socket.getOutputStream());

            if(servletMap.get(request.getUrl()) == null)
                // 获取静态资源
                response.outputHtml(request.getUrl());
            else
                HttpServlet httpServlet = servletMap.get(request.getUrl());
                httpServlet.service(request,response);
            

            socket.close();
        */

        /**
         *  多线程改造（不使用线程池）
         */
        /*while(true)
            Socket socket = serverSocket.accept();

            RequestProcessor requestProcessor = new RequestProcessor(socket,servletMap);
            requestProcessor.start();
        */

        /**
         *  多线程改造（使用线程池）
         */
        while(true)
            Socket socket = serverSocket.accept();

            RequestProcessor requestProcessor = new RequestProcessor(socket,servletMap);
//            requestProcessor.start();
            threadPoolExecutor.execute(requestProcessor);

        


    

    private Map<String,HttpServlet> servletMap = new HashMap<String,HttpServlet>();
    /**
     * 加载解析web.xml，初始化Servlet
     */
    private void loadServlet()
        InputStream resourceAsStream =
                this.getClass().getClassLoader().getResourceAsStream("web.xml");

        try 
            Element rootElement = new SAXReader().read(resourceAsStream).getRootElement();

            List<Element> servletNodes = rootElement.selectNodes("//servlet");
            for (int i = 0; i < servletNodes.size(); i++) 
                Element element = servletNodes.get(i);
                //  <servlet-name>lagou</servlet-name>
                Element servletNameElement = (Element) element.selectSingleNode("//servlet-name");
                String servletName = servletNameElement.getStringValue();
                // <servlet-class>server.LagouServlet</servlet-class>
                Element servletClassElement = (Element) element.selectSingleNode("//servlet-class");
                String servletClass = servletClassElement.getStringValue();
                // <servlet-url>/lagou</servlet-url>
                // 根据servlet-name的值找到url-pattern
                Element servletMappingElement = (Element) rootElement.selectSingleNode(apache整合tomcat部署集群
 Apache + Tomcat 负载均衡 session复制
 apache server和tomcat集群配置二：垂直负载
 Apache2 -> Tomcat 虚拟主机
 关于Tomcat集群中，图片文件等同步的问题
 mac版Tomcat安装