Tomcat工作原理及简单模拟实现

悠悠 2023-10-06 11:12 12阅读 0赞

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Tomcat应该都不陌生，我们经常会把写好的代码打包放在Tomcat里并启动，然后在浏览器里就能愉快的调用我们写的代码来实现相应的功能了，那么Tomcat是如何工作的？

##### 一、Tomcat工作原理 #####

我们启动Tomcat时双击的startup.bat文件的主要作用是找到catalina.bat，并且把参数传递给它，而catalina.bat中有这样一段话：

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Bootstrap.class是整个Tomcat 的入口，我们在Tomcat源码里找到这个类，其中就有我们经常使用的main方法：

![format_png 2][]

这个类有两个作用 ：

*  初始化一个守护进程变量、加载类和相应参数；
 *  解析命令，并执行。

源码不过多赘述，我们在这里只需要把握整体架构，有兴趣的同学可以自己研究下源码。Tomcat的server.xml配置文件中可以对应构架图中位置，多层的表示可以配置多个：

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即一个由 Server->Service->Engine->Host->Context 组成的结构，从里层向外层分别是：

Server：服务器Tomcat的顶级元素，它包含了所有东西。

Service：一组 Engine(引擎) 的集合，包括线程池 Executor 和连接器 Connector 的定义。

Engine(引擎)：一个 Engine代表一个完整的 Servlet引擎，它接收来自Connector的请求，并决定传给哪个Host来处理。

Container(容器)：Host、Context、Engine和Wraper都继承自Container接口，它们都是容器。

Connector(连接器)：将Service和Container连接起来，注册到一个Service，把来自客户端的请求转发到Container。

Host：即虚拟主机，所谓的”一个虚拟主机”可简单理解为”一个网站”。

Context(上下文 )： 即 Web 应用程序，一个 Context 即对于一个 Web 应用程序。

Context容器直接管理Servlet的运行，Servlet会被其给包装成一个StandardWrapper类去运行。Wrapper负责管理一个Servlet的装载、初始化、执行以及资源回收，它是最底层容器。

比如现在有以下网址，根据“/”切割的链接就会定位到具体的处理逻辑上，且每个容器都有过滤功能。

![format_png 4][]

##### 二、Tomcat实现思路 #####

下面只是简单实现效果，当浏览器访问对应地址时：

![format_png 5][]

实现以上效果整体思路如下：

1.ServerSocket占用8080端口，用while（true）循环等待用户发请求。

2.拿到浏览器的请求，解析并返回URL地址，用I/O输入流读取本地磁盘上相应文件。

3.读取文件，不存在构建响应报文头、HTML正文内容，存在则写到浏览器端。

##### 三、实现Tomcat #####

工程文件结构和pom.xml文件：

![format_png 6][]

1.HttpServer核心处理类，用于接受用户请求，传递HTTP请求头信息，关闭容器：

public class HttpServer {
      // 用于判断是否需要关闭容器
      private boolean shutdown = false;
      public void acceptWait() {
        ServerSocket serverSocket = null;
        try {
            //端口号，最大链接数，ip地址
          serverSocket = new ServerSocket(8080, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
        }
        catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1); 
        }
        // 等待用户发请求
        while (!shutdown) {
          try {
            Socket socket = serverSocket.accept();
            InputStream is = socket.getInputStream();
            OutputStream  os = socket.getOutputStream();
            // 接受请求参数
            Request request = new Request(is);
            request.parse();
            // 创建用于返回浏览器的对象
            Response response = new Response(os);
            response.setRequest(request);
            response.sendStaticResource();
            //关闭一次请求的socket,因为http请求就是采用短连接的方式
            socket.close();
            //如果请求地址是/shutdown  则关闭容器
            if(null != request){
                 shutdown = request.getUrL().equals("/shutdown");
            }
          }
          catch (Exception e) {
              e.printStackTrace();
              continue;
          }
        }
      }
      public static void main(String[] args) {
            HttpServer server = new HttpServer();
            server.acceptWait();
      }
    }

2.创建Request类，获取HTTP的请求头所有信息并截取URL地址返回：

public class Request {
      private InputStream is;
      private String url;
      public Request(InputStream input) {
        this.is = input;
      }
      public void parse() {
        //从socket中读取一个2048长度字符
        StringBuffer request = new StringBuffer(Response.BUFFER_SIZE);
        int i;
        byte[] buffer = new byte[Response.BUFFER_SIZE];
        try {
          i = is.read(buffer);
        }
        catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
          i = -1;
        }
        for (int j=0; j<i; j++) {
          request.append((char) buffer[j]);
        }
        //打印读取的socket中的内容
        System.out.print(request.toString());
        url = parseUrL(request.toString());
      }
      private String parseUrL(String requestString) {
        int index1, index2;
        index1 = requestString.indexOf(' ');//看socket获取请求头是否有值
        if (index1 != -1) {
          index2 = requestString.indexOf(' ', index1 + 1);
          if (index2 > index1)
            return requestString.substring(index1 + 1, index2);
        }
        return null;
      }
      public String getUrL() {
        return url;
      }
    }

3.创建Response类，响应请求读取文件并写回到浏览器

public class Response {
      public static final int BUFFER_SIZE = 2048;
      //浏览器访问D盘的文件
      private static final String WEB_ROOT ="D:";
      private Request request;
      private OutputStream output;
      public Response(OutputStream output) {
        this.output = output;
      }
      public void setRequest(Request request) {
        this.request = request;
      }
      public void sendStaticResource() throws IOException {
        byte[] bytes = new byte[BUFFER_SIZE];
        FileInputStream fis = null;
        try {
            //拼接本地目录和浏览器端口号后面的目录
          File file = new File(WEB_ROOT, request.getUrL());
          //如果文件存在，且不是个目录
          if (file.exists() && !file.isDirectory()) {
            fis = new FileInputStream(file);
            int ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
            while (ch!=-1) {
              output.write(bytes, 0, ch);
              ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
            }
          }else {
               //文件不存在，返回给浏览器响应提示,这里可以拼接HTML任何元素
              String retMessage = "<h1>"+file.getName()+" file or directory not exists</h1>";
              String returnMessage ="HTTP/1.1 404 File Not Found\r\n" +
                      "Content-Type: text/html\r\n" +
                      "Content-Length: "+retMessage.length()+"\r\n" +
                      "\r\n" +
                      retMessage;
            output.write(returnMessage.getBytes());
          }
        }
        catch (Exception e) {
          System.out.println(e.toString() );
        }
        finally {
          if (fis!=null)
            fis.close();
        }
      }
    }

##### 四、扩展点 #####

1.在WEB\_INF文件夹下读取web.xml解析，通过请求名找到对应的类名，通过类名创建对象，用反射来初始化配置信息，如welcome页面，Servlet、servlet-mapping，filter，listener，启动加载级别等。

2.抽象Servlet类来转码处理请求和响应的业务。发过来的请求会有很多，也就意味着我们应该会有很多的Servlet，例如：RegisterServlet、LoginServlet等等还有很多其他的访问。可以用到类似于工厂模式的方法处理，随时产生很多的Servlet，来满足不同的功能性的请求。

3.使用多线程。本文的代码是死循环，且只能有一个链接，而现实中的情况是往往会有很多很多的客户端发请求，可以把每个浏览器的通信封装到一个线程当中。

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