Tomcat在Springboot中如何启动

男娘i 2021-09-01 08:19 499阅读 0赞

# Tomcat在Springboot中如何启动 #

## 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程序打成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

@SpringBootApplication
    public 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，跟踪下来最终是发现的run方法是调用ConfigurableApplicationContext

public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {
 		StopWatch stopWatch = new StopWatch();
 		stopWatch.start();
 		ConfigurableApplicationContext context = null;
 		Collection<SpringBootExceptionReporter> exceptionReporters = new ArrayList<>();
 		
 		#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/springboot.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start()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PRopetySource以及Profile),
 			#并遍历调用所有的SpringApplicationRunListener的environmentPrepares()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/springboot*,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ApplicationContextInitializaer的initialize()方法来进一步封装ApplicationContext,
 			#并调用所有的SpringApplicationRunListener的contextPrepared()方法，[EventPublishRunListener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
 			prepareContext(context, environment, listeners, applicationArguments,printedBanner);
 			
 			#刷新上下文
 			refreshContext(context);
 			
 			#在次刷新上下文，其实是空方法可能为了后续扩展
 			afterRefresh(context, applicationArguments);
 			
 			stopWatch.stop();
 			if (this.logStartupInfo) {
 				new StartupInfoLogger(this.mainApplicationClass)
 						.logStarted(getApplicationLog(), stopWatch);
 			}
 			#应用已经启动的事件
 			listeners.started(context);
 			
 			# 遍历所有注册的ApplicationRunner或者 CommandLineRunner,并执行其run()方法
 			# 我们可以实现自己的Application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总结下步骤为：  
 配置属性  
 获取监听器，发布应用开始启动事件  
 初始化输入参数  
 配置环境，输出banner  
 创建上下文  
 预处理上下文  
 刷新上下文  
 再刷新上下文  
 发布应用已经启动事件  
 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

SpringApplication.class
 
 protected ConfigurableApplicationContext createApplicationContext() {
 		Class<?> contextClass = this.applicationContextClass;
 		if (contextClass == null) {
 			try {
 				contextClass = Class.forName(this.webEnvironment
 						? DEFAULT_WEB_CONTEXT_CLASS : DEFAULT_CONTEXT_CLASS);
 			}
 			catch (ClassNotFoundException ex) {
 				throw new IllegalStateException(
 						"Unable create a default ApplicationContext, "
 								+ "please specify an ApplicationContextClass",ex);
 			}
 		}
 		return (ConfigurableApplicationContext) BeanUtils.instantiate(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  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNDE5MTA1_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
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：

SpringApplication.class
    
    private void refreshContext(ConfigurableApplicationContext context) {
    		refresh(context);
    		if (this.registerShutdownHook) {
    			try {
    				context.registerShutdownHook();
    			}
    			catch (AccessControlException ex) {
    				// Not allowed in some environments.
    			}
    		}
    	}
    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：

AbstractApplication.class
    
    	@Override
    	public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
    		synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
    			prepareRefresh();
    			ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();
    			prepareBeanFactory(beanFactory);
    			try {
    				postProcessBeanFactory(beanFactory);
    				invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
    				registerBeanPostProcessors(beanFactory);
    				initMessageSource();
    				initApplicationEventMulticaster();
    				onRefresh();
    				registerListeners();
    				finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
    				finishRefresh();
    			}
    			catch (BeansException ex) {
    				if (logger.isWarnEnabled()) {
    			logger.warn("Exception encountered during context initialization - " +
    							"cancelling refresh attempt: " + ex);
    				}
    				destroyBeans();
    				cancelRefresh(ex);
    				throw ex;
    			}
    			finally {.
    				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：ServletWebServerApplicationContext
    protected 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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNDE5MTA1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 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  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNDE5MTA1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
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
 }
 /**
 * 
 * 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.
 * 
 * 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
 
 }
 /*** 
 * 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.
 * 
 * The child containers attached to a Context are generally implementations
 * of Wrapper (representing individual servlet definitions).
 * 
 *
 * @author Craig R. McClanahan
 */
 public interface Context extends Container, ContextBind {
 //省略代码
 }
 /**
 * 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.
 * 
 * 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，而且是多个，一个Service代表我们部署的一个应用，而且我们还可以知道，Engine容器，一个service只有一个；根据父子关系，我们看setHost()源码可以知道，host容器有多个；同理，我们发现addContext()源码下，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  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNDE5MTA1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
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  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNDE5MTA1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
*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  
    而启动Tomcat就是在第7步中“刷新上下文”；Tomcat的启动主要是初始化2个核心组件，连接器(Connector)和容器（Container），一个Tomcat实例就是一个Server，一个Server包含多个Service，也就是多个应用程序，每个Service包含多个连接器（Connetor）和一个容器（Container),而容器下又有多个子容器，按照父子关系分别为：Engine,Host,Context,Wrapper，其中除了Engine外，其余的容器都是可以有多个

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzNDE5MTA1_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20210901/e4016e2a828e452893b056175ed2db29.png
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