Tomcat中的鏈接器是如何設計的
上期回顧
上一篇文章《Tomcat在SpringBoot中是如何啓動的》從main方法啓動提及，窺探了SpringBoot是如何啓動Tomcat的，在分析Tomcat中咱們重點提到了，Tomcat主要包括2個組件，鏈接器（Connector）和容器（Container）以及他們的內部結構圖，那麼今天咱們來分析下Tomcat中的鏈接器是怎麼設計的以及它的做用是什麼。java
說明：本文tomcat版本是9.0.21，不建議零基礎讀者閱讀。apache
從鏈接器（Connector）源碼提及
既然是來解析鏈接器（Connector），那麼咱們直接從源碼入手，後面全部源碼我會剔除不重要部分，因此會忽略大部分源碼細節，只關注流程。源碼以下（高能預警，大量代碼）：編程
public class Connector extends LifecycleMBeanBase {
public Connector() {
this("org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol");
}
public Connector(String protocol) {
boolean aprConnector = AprLifecycleListener.isAprAvailable() &&
AprLifecycleListener.getUseAprConnector();
if ("HTTP/1.1".equals(protocol) || protocol == null) {
if (aprConnector) {
protocolHandlerClassName = "org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol";
} else {
protocolHandlerClassName = "org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol";
}
} else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) {
if (aprConnector) {
protocolHandlerClassName = "org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol";
} else {
protocolHandlerClassName = "org.apache.coyote.ajp.AjpNioProtocol";
}
} else {
protocolHandlerClassName = protocol;
}
// Instantiate protocol handler
ProtocolHandler p = null;
try {
Class<?> clazz = Class.forName(protocolHandlerClassName);
p = (ProtocolHandler) clazz.getConstructor().newInstance();
} catch (Exception e) {
log.error(sm.getString(
"coyoteConnector.protocolHandlerInstantiationFailed"), e);
} finally {
this.protocolHandler = p;
}
// Default for Connector depends on this system property
setThrowOnFailure(Boolean.getBoolean("org.apache.catalina.startup.EXIT_ON_INIT_FAILURE"));
}
複製代碼
咱們來看看Connector的構造方法，其實只作了一件事情，就是根據協議設置對應的ProtocolHandler,根據名稱咱們知道，這是協議處理類，因此鏈接器內部的一個重要子模塊就是ProtocolHandler。tomcat
關於生命週期
咱們看到Connector繼承了LifecycleMBeanBase，咱們來看看Connector的最終繼承關係：bash
咱們看到最終實現的是Lifecycle接口,咱們看看這個接口是何方神聖。我把其接口的註釋拿下來解釋下網絡
/**
* Common interface for component life cycle methods. Catalina components
* may implement this interface (as well as the appropriate interface(s) for
* the functionality they support) in order to provide a consistent mechanism
* to start and stop the component.
* start()
* -----------------------------
* | |
* | init() |
* NEW -»-- INITIALIZING |
* | | | | ------------------«-----------------------
* | | |auto | | |
* | | \|/ start() \|/ \|/ auto auto stop() |
* | | INITIALIZED --»-- STARTING_PREP --»- STARTING --»- STARTED --»--- |
* | | | | |
* | |destroy()| | |
* | --»-----«-- ------------------------«-------------------------------- ^
* | | | |
* | | \|/ auto auto start() |
* | | STOPPING_PREP ----»---- STOPPING ------»----- STOPPED -----»-----
* | \|/ ^ | ^
* | | stop() | | |
* | | -------------------------- | |
* | | | | |
* | | | destroy() destroy() | |
* | | FAILED ----»------ DESTROYING ---«----------------- |
* | | ^ | |
* | | destroy() | |auto |
* | --------»----------------- \|/ |
* | DESTROYED |
* | |
* | stop() |
* ----»-----------------------------»------------------------------
*
* Any state can transition to FAILED.
*
* Calling start() while a component is in states STARTING_PREP, STARTING or
* STARTED has no effect.
*
* Calling start() while a component is in state NEW will cause init() to be
* called immediately after the start() method is entered.
*
* Calling stop() while a component is in states STOPPING_PREP, STOPPING or
* STOPPED has no effect.
*
* Calling stop() while a component is in state NEW transitions the component
* to STOPPED. This is typically encountered when a component fails to start and
* does not start all its sub-components. When the component is stopped, it will
* try to stop all sub-components - even those it didn't start. * * Attempting any other transition will throw {@link LifecycleException}. * * </pre> * The {@link LifecycleEvent}s fired during state changes are defined in the * methods that trigger the changed. No {@link LifecycleEvent}s are fired if the * attempted transition is not valid. 複製代碼
這段註釋翻譯就是，這個接口是提供給組件聲明週期管理的，而且提供了聲明週期流轉圖。這裏咱們只須要知道正常流程便可：app
New--->Init()---->Start()---->Stop()--->Destory()dom
從生命週期探索鏈接器
根據上面的生命週期說明，咱們能夠知道鏈接器（Connector）就是按照如此的聲明週期管理的，因此咱們找到了線索，因此鏈接器確定會先初始化而後再啓動。咱們查看其initInternal()方法能夠知道鏈接器初始化作了什麼事情，源碼以下：異步
@Override
protected void initInternal() throws LifecycleException {
super.initInternal();
if (protocolHandler == null) {
throw new LifecycleException(
sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerInstantiationFailed"));
}
// Initialize adapter
adapter = new CoyoteAdapter(this);
protocolHandler.setAdapter(adapter);
if (service != null) {
protocolHandler.setUtilityExecutor(service.getServer().getUtilityExecutor());
}
// Make sure parseBodyMethodsSet has a default
if (null == parseBodyMethodsSet) {
setParseBodyMethods(getParseBodyMethods());
}
if (protocolHandler.isAprRequired() && !AprLifecycleListener.isInstanceCreated()) {
throw new LifecycleException(sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerNoAprListener",
getProtocolHandlerClassName()));
}
if (protocolHandler.isAprRequired() && !AprLifecycleListener.isAprAvailable()) {
throw new LifecycleException(sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerNoAprLibrary",
getProtocolHandlerClassName()));
}
if (AprLifecycleListener.isAprAvailable() && AprLifecycleListener.getUseOpenSSL() &&
protocolHandler instanceof AbstractHttp11JsseProtocol) {
AbstractHttp11JsseProtocol<?> jsseProtocolHandler =
(AbstractHttp11JsseProtocol<?>) protocolHandler;
if (jsseProtocolHandler.isSSLEnabled() &&
jsseProtocolHandler.getSslImplementationName() == null) {
// OpenSSL is compatible with the JSSE configuration, so use it if APR is available
jsseProtocolHandler.setSslImplementationName(OpenSSLImplementation.class.getName());
}
}
try {
protocolHandler.init();
} catch (Exception e) {
throw new LifecycleException(
sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerInitializationFailed"), e);
}
}
}
複製代碼
根據上面源碼，咱們發現主要是處理protocolHandler並初始化它，同時咱們注意到了protocolHandler 設置了一個適配器，咱們看看這個適配器是作啥的，跟蹤源碼以下：socket
/**
* The adapter, used to call the connector.
*
* @param adapter The adapter to associate
*/
public void setAdapter(Adapter adapter);
複製代碼
這個註釋已經說的很直白了，這個適配器就是用來調用鏈接器的。咱們再繼續看看protocolHandler的初始化方法
/**
* Endpoint that provides low-level network I/O - must be matched to the
* ProtocolHandler implementation (ProtocolHandler using NIO, requires NIO
* Endpoint etc.).
*/
private final AbstractEndpoint<S,?> endpoint;
public void init() throws Exception {
if (getLog().isInfoEnabled()) {
getLog().info(sm.getString("abstractProtocolHandler.init", getName()));
logPortOffset();
}
if (oname == null) {
// Component not pre-registered so register it
oname = createObjectName();
if (oname != null) {
Registry.getRegistry(null, null).registerComponent(this, oname, null);
}
}
if (this.domain != null) {
rgOname = new ObjectName(domain + ":type=GlobalRequestProcessor,name=" + getName());
Registry.getRegistry(null, null).registerComponent(
getHandler().getGlobal(), rgOname, null);
}
String endpointName = getName();
endpoint.setName(endpointName.substring(1, endpointName.length()-1));
endpoint.setDomain(domain);
endpoint.init();
}
複製代碼
這裏出現了一個新的對象，endpoint,根據註釋咱們能夠知道endpoint是用來處理網絡IO的，並且必須匹配到指定的子類（好比Nio,就是NioEndPoint處理）。endpoint.init()實際上就是作一些網絡的配置，而後就是初始化完畢了。根據咱們上面的週期管理，咱們知道init()後就是start(),因此咱們查看Connector的start()源碼：
protected void startInternal() throws LifecycleException {
// Validate settings before starting
if (getPortWithOffset() < 0) {
throw new LifecycleException(sm.getString(
"coyoteConnector.invalidPort", Integer.valueOf(getPortWithOffset())));
}
setState(LifecycleState.STARTING);
try {
protocolHandler.start();
} catch (Exception e) {
throw new LifecycleException(
sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerStartFailed"), e);
}
}
複製代碼
其實就是主要調用protocolHandler.start()方法，繼續跟蹤，爲了方便表述，我會把接下來的代碼統一放在一塊兒說明，代碼以下：
//1.類：AbstractProtocol implements ProtocolHandler,
MBeanRegistration
public void start() throws Exception {
// 省略部分代碼
endpoint.start();
}
//2. 類：AbstractEndPoint
public final void start() throws Exception {
// 省略部分代碼
startInternal();
}
/**3.類：NioEndPoint extends AbstractJsseEndpoint<NioChannel,SocketChannel>
* Start the NIO endpoint, creating acceptor, poller threads.
*/
@Override
public void startInternal() throws Exception {
//省略部分代碼
// Start poller thread
poller = new Poller();
Thread pollerThread = new Thread(poller, getName() + "-ClientPoller");
pollerThread.setPriority(threadPriority);
pollerThread.setDaemon(true);
pollerThread.start();
startAcceptorThread();
}
}
複製代碼
到這裏，其實整個啓動代碼就完成了，咱們看到最後是在NioEndPoint建立了一個Poller,而且啓動它，這裏須要補充說明下，這裏只是以NioEndPoint爲示列，其實Tomcat 主要提供了三種實現，分別是AprEndPoint,NioEndPoint,Nio2EndPoint,這裏表示了tomcat支持的I/O模型：
APR:採用 Apache 可移植運行庫實現,它根據不一樣操做系統，分別用c重寫了大部分IO和系統線程操做模塊,聽說性能要比其餘模式要好（未實測）。
NIO：非阻塞 I/O
NIO.2：異步 I/O
上述代碼主要是開啓兩個線程，一個是Poller,一個是開啓Acceptor，既然是線程，核心的代碼確定是run方法，咱們來查看源碼，代碼以下：
//4.類：Acceptor<U> implements Runnable
public void run() {
//省略了部分代碼
U socket = null;
socket = endpoint.serverSocketAccept();
// Configure the socket
if (endpoint.isRunning() && !endpoint.isPaused()) {
// setSocketOptions() will hand the socket off to
// an appropriate processor if successful
//核心邏輯
if (!endpoint.setSocketOptions(socket)) {
endpoint.closeSocket(socket);
}
} else {
endpoint.destroySocket(socket);
}
state = AcceptorState.ENDED;
}
//5.類：NioEndpoint
protected boolean setSocketOptions(SocketChannel socket) {
// Process the connection
//省略部分代碼
try {
// Disable blocking, polling will be used
socket.configureBlocking(false);
Socket sock = socket.socket();
socketProperties.setProperties(sock);
NioSocketWrapper socketWrapper = new NioSocketWrapper(channel, this);
channel.setSocketWrapper(socketWrapper);
socketWrapper.setReadTimeout(getConnectionTimeout());
socketWrapper.setWriteTimeout(getConnectionTimeout());
socketWrapper.setKeepAliveLeft(NioEndpoint.this.getMaxKeepAliveRequests());
socketWrapper.setSecure(isSSLEnabled());
//核心邏輯
poller.register(channel, socketWrapper);
return true;
}
複製代碼
這裏能夠發現Acceptor主要就是接受socket,而後把它註冊到poller中，咱們繼續看看是如何註冊的。
/**6.類NioEndpoint
* Registers a newly created socket with the poller.
*
* @param socket The newly created socket
* @param socketWrapper The socket wrapper
*/
public void register(final NioChannel socket, final NioSocketWrapper socketWrapper) {
socketWrapper.interestOps(SelectionKey.OP_READ);//this is what OP_REGISTER turns into.
PollerEvent r = null;
if (eventCache != null) {
r = eventCache.pop();
}
if (r == null) {
r = new PollerEvent(socket, OP_REGISTER);
} else {
r.reset(socket, OP_REGISTER);
}
addEvent(r);
}
/** 7.類：PollerEvent implements Runnable
public void run() {
//省略部分代碼
socket.getIOChannel().register(socket.getSocketWrapper().getPoller().getSelector(), SelectionKey.OP_READ, socket.getSocketWrapper());
}
複製代碼
這裏發現最終就是採用NIO模型把其註冊到通道中。(這裏涉及NIO網絡編程知識，不瞭解的同窗能夠傳送這裏)。那麼註冊完畢後，咱們看看Poller作了什麼事情。
*/
/**8.類：NioEndPoint內部類 Poller implements Runnable
**/
@Override
public void run() {
// Loop until destroy() is called
while (true) {
//省略部分代碼
Iterator<SelectionKey> iterator =
keyCount > 0 ? selector.selectedKeys().iterator() : null;
// Walk through the collection of ready keys and dispatch
// any active event.
while (iterator != null && iterator.hasNext()) {
SelectionKey sk = iterator.next();
NioSocketWrapper socketWrapper = (NioSocketWrapper) sk.attachment();
// Attachment may be null if another thread has called
// cancelledKey()
if (socketWrapper == null) {
iterator.remove();
} else {
iterator.remove();
//sock處理
processKey(sk, socketWrapper);
}
}
//省略部分代碼
}
複製代碼
這個就是經過selector把以前註冊的事件取出來，從而完成了調用。
//9.類： NioEndPoint內部類 Poller implements Runnable
protected void processKey(SelectionKey sk, NioSocketWrapper socketWrapper) {
//省略大部分代碼
processSocket(socketWrapper, SocketEvent.OPEN_WRITE, true)
}
//10.類：AbstractEndPoint
public boolean processSocket(SocketWrapperBase<S> socketWrapper,
SocketEvent event, boolean dispatch) {
//省略部分代碼
Executor executor = getExecutor();
if (dispatch && executor != null) {
executor.execute(sc);
} else {
sc.run();
}
return true;
}
//11.類：SocketProcessorBase implements Runnable
public final void run() {
synchronized (socketWrapper) {
// It is possible that processing may be triggered for read and
// write at the same time. The sync above makes sure that processing
// does not occur in parallel. The test below ensures that if the
// first event to be processed results in the socket being closed,
// the subsequent events are not processed.
if (socketWrapper.isClosed()) {
return;
}
doRun();
}
}
//類：12.NioEndPoint extends AbstractJsseEndpoint<NioChannel,SocketChannel>
protected void doRun() {
//省略部分代碼
if (handshake == 0) {
SocketState state = SocketState.OPEN;
// Process the request from this socket
if (event == null) {
state = getHandler().process(socketWrapper, SocketEvent.OPEN_READ);
} else {
state = getHandler().process(socketWrapper, event);
}
if (state == SocketState.CLOSED) {
poller.cancelledKey(key, socketWrapper);
}
}
}
複製代碼
Poller調用的run方法或者用Executor線程池去執行run(),最終調用都是各個子EndPoint中的doRun()方法，最終會取一個Handler去處理socketWrapper。繼續看源碼：
//類：13.AbstractProtocol內部類ConnectionHandler implements AbstractEndpoint.Handler<S>
public SocketState process(SocketWrapperBase<S> wrapper, SocketEvent status) {
//省略部分代碼
state = processor.process(wrapper, status);
return SocketState.CLOSED;
}
//類：14.AbstractProcessorLight implements Processor
public SocketState process(SocketWrapperBase<?> socketWrapper, SocketEvent status)
throws IOException {
//省略部分代碼
state = service(socketWrapper);
return state;
}
複製代碼
這部分源碼代表最終調用的process是經過一個Processor接口的實現類來完成的，這裏最終也是會調用到各個子類中，那麼這裏的處理器其實就是處理應用協議，咱們能夠查看AbstractProcessorLight的實現類，分別有AjpProcessor、Http11Processor、StreamProcessor，分別表明tomcat支持三種應用層協議，分別是：
這裏咱們以經常使用的HTTP1.1爲例，繼續看源碼：
//類：15. Http11Processor extends AbstractProcessor
public SocketState service(SocketWrapperBase<?> socketWrapper)
throws IOException {
//省略大部分代碼
getAdapter().service(request, response);
//省略大部分代碼
}
//類：16 CoyoteAdapter implements Adapter
public void service(org.apache.coyote.Request req, org.apache.coyote.Response res)
throws Exception {
Request request = (Request) req.getNote(ADAPTER_NOTES);
Response response = (Response) res.getNote(ADAPTER_NOTES);
postParseSuccess = postParseRequest(req, request, res, response);
if (postParseSuccess) {
//check valves if we support async
request.setAsyncSupported(
connector.getService().getContainer().getPipeline().isAsyncSupported());
// Calling the container
connector.getService().getContainer().getPipeline().getFirst().invoke(
request, response);
}
}
複製代碼
這裏咱們發現協議處理器最終會調用適配器(CoyoteAdapter),而適配器最終的工做是轉換Request和Response對象爲HttpServletRequest和HttpServletResponse，從而能夠去調用容器，到這裏整個鏈接器的流程和做用咱們就已經分析完了。
小結
那麼咱們來回憶下整個流程，我畫了一張時序圖來講明：
這張圖包含了兩個流程，一個是組件的初始化，一個是調用的流程。鏈接器(Connector)主要初始化了兩個組件，ProtcoHandler和EndPoint,可是咱們從代碼結構發現，他們兩個是父子關係，也就是說ProtcoHandler包含了EndPoint。後面的流程就是各個子組件的調用鏈關係，總結來講就是Acceptor負責接收請求，而後註冊到Poller，Poller負責處理請求，而後調用processor處理器來處理，最後把請求轉成符合Servlet規範的request和response去調用容器(Container)。
咱們流程梳理清楚了，接下來咱們來結構化的梳理下：
回到鏈接器（Connector）是源碼，咱們發現，上述說的模塊只有ProtocolHandler和Adapter兩個屬於鏈接器中，也就是說，鏈接器只包含了這兩大子模塊，那麼後續的EndPoint、Acceptor、Poller、Processor都是ProtocolHandler的子模塊。 而Acceptor和Poller兩個模塊的核心功能都是在EndPoint 中完成的，因此是其子模塊，而Processor比較獨立，因此它和EndPoint是一個級別的子模塊。
咱們用圖來講明下上述的關係：
根據上圖咱們能夠知道，鏈接器主要負責處理鏈接請求，而後經過適配器調用容器。那麼具體流程細化能夠以下：
Acceptor監聽網絡請求，獲取請求。Poller獲取到監聽的請求提交線程池進行處理。Processor根據具體的應用協議（HTTP/AJP）來生成Tomcat Request對象。Adapter把Request對象轉換成Servlet標準的Request對象，調用容器。
總結
咱們從鏈接器的源碼，一步一步解析，分析了鏈接器主要包含了兩大模塊，ProtocolHandler和Adapter。ProtocolHandler主要包含了Endpoint模塊和Processor模塊。Endpoint模塊主要的做用是鏈接的處理，它委託了Acceptor子模塊進行鏈接的監聽和註冊,委託子模塊Poller進行鏈接的處理；而Processor模塊主要是應用協議的處理，最後提交給Adapter進行對象的轉換，以即可以調用容器(Container)。另外咱們也在分析源碼的過程當中補充了一些額外知識點：
- 當前Tomcat版本支持的IO模型爲：APR模型、NIO模型、NIO.2模型
- Tomcat支持的協議是AJP和HTTP,其中HTTP又分爲HTTP1.1和HTTP2.0
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