tomcat基础架构剖析

墨蓝 2022-12-23 07:14 144阅读 0赞

## 前言 ##

关于tomcat，可以从很多个维度去分析，作为一款优秀的JavaEE容器，从架构设计，线程模型，设计模式等诸多方面可以成为我们日产工作的借鉴，打算通过几个小节的深入研究探讨一下tomcat中的核心内容

本篇从tomcat的总体架构出发，了解一下其优秀的架构设计

## 一次请求的完整过程 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

不管是使用springmvc，springboot还是servlet，一个请求从客户端发起到最终收到响应，大致经历的过程如下：

*  容器接收到请求
 *  解析请求参数，并包装为容器的请求，根据请求路径匹配映射的servlet容器
 *  servlet容器根据请求参数处理请求并返回结果

当然，这只是一个非常粗的步骤，在springmvc框架中，将这么几步拆分开去，又可以细化到更细腻度的步骤，但springmvc或者springboot，底层也是基于tomcat原生的servlet的思想，因此有必要先了解一下tomcat是如何处理一个完整的请求的

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
理解上面的这幅图首先我们可以知道，tomcat为了解耦，一个请求到达HTTP服务器，并不直接调用Servlet，而是把请求交给Servlet容器来处理，因此可以说，了解了servlet的工作原理，就基本上掌握了tomcat的工作原理了

**servlet服务器请求处理流程**

当客户请求某个资源时，HTTP服务器会用一个ServletRequest对象把客户的请求信息封 装，然后调用Servlet容器的service方法，Servlet容器拿到请求后，根据请求的URL 和Servlet的映射关系，找到相应的Servlet，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，接着调用Servlet的service方法 来处理请求，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

以上就是servlet容器的整个工作过程，但是到达servlet容器并处理请求，整个过程是由许多个小的步骤，各个组件的配合共同完成的，让我们分别来做了解

## Tomcat整体架构 ##

我们知道如果要设计一个系统，首先是要了解需求，我们已经了解了Tomcat要实现两个 核心功能

1） 处理Socket连接，负责网络字节流与Request和Response对象的转化  
2） 加载和管理Servlet，以及具体处理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。

从大的方向来看，连接器和容器可以将tomcat从逻辑结构上进行一次划分

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

**连接器 - Coyote**

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,对应于tomcat源码中的Connector类

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，可以说，Coyote提供了一个类似中间人的角色，承接着socket的http请求到httpServletRequest请求的转化传递，在tomcat源码中CoyoteAdapter的实现，后续章节中会加以说明

Coyote 作为独立的模块，只负责具体协议和IO的相关操作， 与Servlet 规范实现没有直 接关系，因此即便是 Request 和 Response 对象也并未实现Servlet规范对应的接口， 而 是在Catalina 中将他们进一步封装为ServletRequest 和 ServletResponse

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

在研究tomcat的过程中，个人认为最好是从server.xml文件看起，这个文件的层次结构可以说很大一部分程度上反映了tomcat逻辑上的各个组件的结构，主要是这个文件的层次感太强了，组件之间的嵌套关系一眼便知，下面贴出了tomcat8X版本的srver.xml的配置文件，去掉了注释

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
    
    <Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN">
      
      <Listener className="org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener" />
      <Listener className="org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener" SSLEngine="on" />
      
      <Listener className="org.apache.catalina.core.JreMemoryLeakPreventionListener" />
      <Listener className="org.apache.catalina.mbeans.GlobalResourcesLifecycleListener" />
      <Listener className="org.apache.catalina.core.ThreadLocalLeakPreventionListener" />
    
      <GlobalNamingResources>
    
        <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>
    
      <Service name="Catalina">
    
        <Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1" connectionTimeout="20000" redirectPort="8443" />
        <Connector port="8009" protocol="AJP/1.3" 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>

想要搞清楚tomcat的各种流程图或者架构图，对该文件的各个关键标签的含义，有必要进行理论上上的掌握

## 连接器组件 ##

在上面的一张图中，我们简单了解了tomcat主要可以分为连接器(connector)和容器(Container)，那么它们各自的组件下，又由那些小的组件构成呢？

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
从server.xml也可以看出来，一个容器可能对接多个连接器。但是单独的连接器或者容器都不能对外提供服务，需要把它们组装起来才能工作，组装后这个整体叫作Service组件。这里注意，Service本身没有做什 么事情，只是在连接器和容器外面多包了一层，把它们组装在一起。Tomcat内可能有多个Service，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。这就解释了我们可以在webapps下部署多个不同的war包了吧，因为它们归属于不同的 service啊

**连接器具体的组件**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

**连接器中的各个组件的作用如下：**

**EndPoint**

*  EndPoint ： 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
 *  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和SocketProcessor。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。而这个线程池叫作执行器（Executor)，我在后面的专栏会详细介绍 Tomcat如何扩展原生的Java线程池

**Processor**

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。我们在配置tomcat/conf/server.xml 时 ， 至少要指定具体的 ProtocolHandler , 当然也可以指定协议名称 ， 如 ： HTTP/1.1 ，如果安装了APR，那么 将使用Http11AprProtocol ， 否则使用 Http11NioProtocol

**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“存放”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，也就意味着，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 器的Service方法

**容器 - Catalina**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
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server.xml中基本上可以猜到，servlet容器包含的主要组件

Catalina 是Servlet 容器实现，包含了之前讲到的所有的容器组件，它通过松耦合的方式集成 Coyote，以完成按照请求协议进行数据读写。同时，它还包括我们的启动入口、Shell程 序等

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
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。 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，这些从server.xml文件中可以找到对应的标签

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]  
如上图所示，Catalina负责管理Server，而Server表示着整个服务器。Server下面有多个 服务Service，每个服务都包含着多个连接器组件Connector（Coyote 实现）和一个容器 组件Container。在Tomcat 启动的时候， 会初始化一个Catalina的实例

**Catalina 各个组件的职责：**

1.  Catalina:负责解析Tomcat的配置文件 , 以此来创建服务器Server组件，并根据 命令来对其进行管理
2.  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 Servlet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
3.  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（Engine）上
4.  Connector:连接器，处理与客户端的通信，它负责接收客户请求，然后转给相关 的容器处理，最后向客户返回响应结果
5.  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
6.  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
7.  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

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]

1.  Context:表示一个Web应用程序， 一个Web应用可包含多个Wrapper
2.  Wrapper:表示一个Servlet，Wrapper 作为容器中的最底层，不能包含子容器

也可以再通过Tomcat的server.xml配置文件来加深对Tomcat容器的理解。Tomcat 采用了组件化的设计，它的构成组件都是可配置的，其中最外层的是Server，其他组件 按照一定的格式要求配置在这个顶层容器中

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]

容器通过 Pipeline-Valve 责任链，对请求一次处理，invoke 处理方法，每个容器都有一个 Pipeline，触发第一个 Valve，这个容器的 valve 都会被调到，不同容器之间通过 Pipeline 的 getBasic 方法，负责调用下层容器的第一个 Valve

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]  
当然，如果想更深入的了解这些图的内涵，最好还是需要通过源码的方式进行调试，那样才能更深刻的了解其背后的原理

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/781da70b13cc443ca995a3e441e993ba.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221120/954add5f00394fbdbf10f0e89d46f872.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221120/f68a2ac99a864c7cbb2dcbeb24bac319.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20221120/3e0007501feb438b812026251d60ed6f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]: /images/20221120/702ed02c8635428593cd8618a506f8d9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]: /images/20221120/e6bc3b31c9cf433b98ab0ffbbfe3f104.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]: /images/20221120/89c40a9c08364f65a0243b26ab7e2969.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]: /images/20221120/d1f0d189824a4484ad3c6ee2a4333455.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]: /images/20221120/420aaec8e91f4eb3841189dd69613ade.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]: /images/20221120/e9a4145868454f0c888ad4f3e679d8b0.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]: /images/20221120/f262049b14e84196bb7093c4c17a54e0.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW5nY29uZ3lpNDIw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]: /images/20221120/554b2e3731dd413b861df369b66d8b74.png