初探Tomcat的架構設計

時間  2020-01-18
標籤 初探 tomcat 架構 設計 欄目 Tomcat 简体版
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Tomcat 做爲 servlet 容器實現，它是基於 Java 語言開發的輕量級應用服務器。由於 Tomcat 做爲應用服務器，它有着徹底開源，輕量，性能穩定，部署成本低等優勢，因此它成爲目前 Java 開發應用部署的首選，幾乎每一個Java Web開發者都有使用過，可是，你對 Tomcat 的總體設計有進行過了解和思考嗎？java

本文將基於 Tomcat8 進行分析，具體版本爲 Tomcat8 當前官網最新修改(2019-11-21 09:28)的版本 v8.5.49web

整體結構

Tomcat 的整體結構中有不少模塊，下圖列出咱們將要進行分析結構中的主要模塊。其中主要分析的是Service，Connector，Engine，Host，Context，Wrapper。爲避免圖層看着太亂，下圖中n表明該組件可容許存在多個。apache

如上圖所描述的是：Server 是 tomcat 服務器，在 Server 中能夠存在多個服務 Service 。每一個服務中可有多個鏈接器和一個 Servlet 引擎 Engine，一個 Service 中多個鏈接器對應一個 Engine。 每一個 Engine 中，可存在多個域名，這裏可用虛擬主機的概念來表示 Host。每一個 Host 中能夠存在多個應用 Context。
Server，Service，Connector，Engine，Host，Context，Wrapper 它們之間的關係，除了Connector和Engine，它們是平行關係，其它的都是存在包含關係。同時，它們也都繼承了 Lifecycle 接口，該接口提供的是生命週期的管理，裏面包括：初始化（init），啓動（start），中止(stop)，銷燬(destroy)。當它的父容器啓動時，會調用它子容器的啓動，中止也是同樣的。設計模式

上圖中，還能夠看到，Engine，Host，Context，Wrapper 都繼承自 Container。它有個backgroundProcess()方法，後臺異步處理，因此繼承它後能夠方便的建立異步線程。
在 Tomcat7 中，有看到 Service 持有的是 Container，而不是 Engine。估計這也是爲何在當前版本中添加 Engine 方法名叫setContainer。數組

Server

Tomcat 源碼中有提供org.apache.catalina.Server接口，對應的默認實現類爲org.apache.catalina.core.StandardServer，接口裏面提供有以下圖方法。tomcat

上圖中能夠知道 Server 作的工做：對 Service，Address，Port，Catalina 以及全局命名資源的管理操做。
Server 在進行初始化的時候，會加載咱們 server.xml 中配置的數據。服務器

這裏對其中的 Service 操做的addService向定義的服務集添加新服務進行分析：架構

// 保存服務的服務集
private Service services[] = new Service[0];

final PropertyChangeSupport support = new PropertyChangeSupport(this);

@Override
public void addService(Service service) {
    // 相互關聯
    service.setServer(this);
    
    // 利用同步鎖，防止併發訪問   來源：https://ytao.top
    synchronized (servicesLock) {
        Service results[] = new Service[services.length + 1];
        // copy 舊的服務到新的數組中
        System.arraycopy(services, 0, results, 0, services.length);
        // 添加新的 service
        results[services.length] = service;
        services = results;
    
        // 若是當前 server 已經啓動，那麼當前添加的 service 就開始啓動
        if (getState().isAvailable()) {
            try {
                service.start();
            } catch (LifecycleException e) {
                // Ignore
            }
        }
        
        // 使用觀察者模式，當被監聽對象屬性值發生變化時通知監聽器，remove 是也會調用。
        support.firePropertyChange("service", null, service);
    }

}

源碼中能夠看到，向服務器中添加服務後，隨機會啓動服務，實則也服務啓動入口。併發

Service

Service 的主要職責就是將 Connector 和 Engine 的組裝在一塊兒。二者分開的目的也就是使請求監聽和請求處理進行解耦，能擁有更好的擴展性。每一個 Service 都是相互獨立的，可是共享一個JVM和系統類庫。這裏提供了org.apache.catalina.Service接口和默認實現類org.apache.catalina.coreStandardService。app

在實現類 StandardService 中，主要分析setContainer和addConnector兩個方法。

private Engine engine = null;

protected final MapperListener mapperListener = new MapperListener(this);

@Override
public void setContainer(Engine engine) {
    Engine oldEngine = this.engine;
    // 判斷當前 Service 是否有關聯 Engine
    if (oldEngine != null) {
        // 若是當前 Service 有關聯 Engine，就去掉當前關聯的 Engine
        oldEngine.setService(null);
    }
    // 若是當前新的 Engine 不爲空，那麼 Engine 關聯當前 Service，這裏是個雙向關聯
    this.engine = engine;
    if (this.engine != null) {
        this.engine.setService(this);
    }
    // 若是當前 Service 啓動了，那麼就開始啓動當前新的 Engine
    if (getState().isAvailable()) {
        if (this.engine != null) {
            try {
                this.engine.start();
            } catch (LifecycleException e) {
                log.error(sm.getString("standardService.engine.startFailed"), e);
            }
        }
        // 重啓 MapperListener ，獲取一個新的 Engine ，必定是當前入參的 Engine
        try {
            mapperListener.stop();
        } catch (LifecycleException e) {
            log.error(sm.getString("standardService.mapperListener.stopFailed"), e);
        }
        try {
            mapperListener.start();
        } catch (LifecycleException e) {
            log.error(sm.getString("standardService.mapperListener.startFailed"), e);
        }

        // 若是當前 Service 以前有 Engine 關聯，那麼中止以前的 Engine
        if (oldEngine != null) {
            try {
                oldEngine.stop();
            } catch (LifecycleException e) {
                log.error(sm.getString("standardService.engine.stopFailed"), e);
            }
        }
    }

    // Report this property change to interested listeners
    support.firePropertyChange("container", oldEngine, this.engine);
}

/**
* 實現方式和 StandardServer#addService 相似，不在細述
* 注意，Connector 這裏沒有像 Engine 同樣與 Service 實現雙向關聯
*/
@Override
public void addConnector(Connector connector) {

    synchronized (connectorsLock) {
        connector.setService(this);
        Connector results[] = new Connector[connectors.length + 1];
        System.arraycopy(connectors, 0, results, 0, connectors.length);
        results[connectors.length] = connector;
        connectors = results;

        if (getState().isAvailable()) {
            try {
                connector.start();
            } catch (LifecycleException e) {
                log.error(sm.getString(
                        "standardService.connector.startFailed",
                        connector), e);
            }
        }

        // Report this property change to interested listeners
        support.firePropertyChange("connector", null, connector);
    }

}

Connector

Connector 主要用於接收請求，而後交給 Engine 處理請求，處理完後再給 Connector 去返回給客戶端。當前使用版本支持的協議有：HTTP，HHTP/2，AJP，NIO，NIO2，APR
主要的功能包括：

  • 監聽服務器端口來讀取客戶端的請求。
  • 解析協議並交給對應的容器處理請求。
  • 返回處理後的信息給客戶端

Connector 對應服務器 server.xml 中配置信息的例子：

<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
               connectionTimeout="20000"
               redirectPort="8443" />

這裏經過配置監聽的端口號port，指定處理協議protocol，以及重定向地址redirectPort。
協議處理類型經過實例化鏈接器時設置：

public Connector() {
    // 無參構造，下面 setProtocol 中默認使用HTTP/1.1
    this(null);
}

public Connector(String protocol) {
    // 設置當前鏈接器協議處理類型
    setProtocol(protocol);
    // 實例化協議處理器，並保存到當前 Connector 中
    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;
    }

    if (Globals.STRICT_SERVLET_COMPLIANCE) {
        uriCharset = StandardCharsets.ISO_8859_1;
    } else {
        uriCharset = StandardCharsets.UTF_8;
    }
}

/**
* 這個設置再 tomcat9 中被移除，改成必配項
*/
public void setProtocol(String protocol) {

    boolean aprConnector = AprLifecycleListener.isAprAvailable() &&
            AprLifecycleListener.getUseAprConnector();

    // 這裏指定了默認協議和 HTTP/1.1 同樣
    if ("HTTP/1.1".equals(protocol) || protocol == null) {
        if (aprConnector) {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol");
        } else {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol");
        }
    } else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) {
        if (aprConnector) {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol");
        } else {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.ajp.AjpNioProtocol");
        }
    } else {
        // 最後若是不是經過指定 HTTP/1.1，AJP/1.3 類型的協議，就經過類名實例化一個協議處理器
        setProtocolHandlerClassName(protocol);
    }
}

ProtocolHandler 是一個協議處理器，針對不一樣的請求，提供不一樣實現。實現類 AbstractProtocol 在初始化時，會在最後調用一個抽象類 AbstractEndpoint 初始化來啓動線程來監聽服務器端口，當接收到請求後，調用 Processor 讀取請求，而後交給 Engine 處理請求。

Engine

Engine 對應的是，org.apache.catalina.Engine接口和org.apache.catalina.core.StandardEngine默認實現類。
Engine 的功能也比較簡單，處理容器關係的關聯。

可是實現類中的addChild()不是指的子 Engine，而是隻能是 Host。同時沒有父容器，setParent是不容許操做設置的。

@Override
public void addChild(Container child) {
    // 添加的子容器必須是 Host 
    if (!(child instanceof Host))
        throw new IllegalArgumentException
            (sm.getString("standardEngine.notHost"));
    super.addChild(child);
}

@Override
public void setParent(Container container) {

    throw new IllegalArgumentException
        (sm.getString("standardEngine.notParent"));

}

server.xml 能夠配置咱們的數據：

<!-- 配置默認Host，及jvmRoute -->
<Engine name="Catalina" defaultHost="localhost" jvmRoute="jvm1">

Host

Host 表示一個虛擬主機。應爲咱們的服務器可設置多個域名，好比 demo.ytao.top，dev.ytao.top。那麼咱們就要設置兩個不一樣 Host 來處理不一樣域名的請求。當過來的請求域名爲 demo.ytao.top 時，那麼它就會去找該域名 Host 下的 Context。
因此咱們的 server.xml 配置文件也提供該配置：

<!-- name 設置的時虛擬主機域名 -->
<Host name="localhost"  appBase="webapps"
            unpackWARs="true" autoDeploy="true">

Context

到 Context 這裏來，就擁有 Servlet 的運行環境，Engine，Host都是主要維護容器關係，不具有運行環境。
咱們暫且可將 Context 理解爲一個應用，例如咱們在根目錄下有 ytao-demo-1 和 ytao-demo-2 兩個應用，那麼這裏就是有兩個 Context。
這裏主要介紹的addChild方法，該添加的子容器是 Wrapper:

@Override
public void addChild(Container child) {

    // Global JspServlet
    Wrapper oldJspServlet = null;

    // 這裏添加的子容器只能時 Wrapper
    if (!(child instanceof Wrapper)) {
        throw new IllegalArgumentException
            (sm.getString("standardContext.notWrapper"));
    }

    // 判斷子容器 Wrapper 是否爲 JspServlet
    boolean isJspServlet = "jsp".equals(child.getName());

    // Allow webapp to override JspServlet inherited from global web.xml.
    if (isJspServlet) {
        oldJspServlet = (Wrapper) findChild("jsp");
        if (oldJspServlet != null) {
            removeChild(oldJspServlet);
        }
    }

    super.addChild(child);

    // 將servlet映射添加到Context組件
    if (isJspServlet && oldJspServlet != null) {
        /*
         * The webapp-specific JspServlet inherits all the mappings
         * specified in the global web.xml, and may add additional ones.
         */
        String[] jspMappings = oldJspServlet.findMappings();
        for (int i=0; jspMappings!=null && i<jspMappings.length; i++) {
            addServletMappingDecoded(jspMappings[i], child.getName());
        }
    }
}

這裏也就是每一個應用中的 Servlet 管理中心。

Wrapper

Wrapper 是一個 Servlet 的管理中心，它擁有 Servlet 的整個生命週期，它是沒有子容器的，由於它本身就是最底層的容器了。
這裏主要對 Servlet 加載的分析：

public synchronized Servlet loadServlet() throws ServletException {

    // 若是已經實例化或者用實例化池，就直接返回
    if (!singleThreadModel && (instance != null))
        return instance;

    PrintStream out = System.out;
    if (swallowOutput) {
        SystemLogHandler.startCapture();
    }

    Servlet servlet;
    try {
        long t1=System.currentTimeMillis();
        // 若是 servlet 類名爲空，直接拋出 Servlet 異常
        if (servletClass == null) {
            unavailable(null);
            throw new ServletException
                (sm.getString("standardWrapper.notClass", getName()));
        }

        // 從 Context 中獲取 Servlet
        InstanceManager instanceManager = ((StandardContext)getParent()).getInstanceManager();
        try {
            servlet = (Servlet) instanceManager.newInstance(servletClass);
        } catch (ClassCastException e) {
            unavailable(null);
            // Restore the context ClassLoader
            throw new ServletException
                (sm.getString("standardWrapper.notServlet", servletClass), e);
        } catch (Throwable e) {
            e = ExceptionUtils.unwrapInvocationTargetException(e);
            ExceptionUtils.handleThrowable(e);
            unavailable(null);

            // Added extra log statement for Bugzilla 36630:
            // https://bz.apache.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=36630
            if(log.isDebugEnabled()) {
                log.debug(sm.getString("standardWrapper.instantiate", servletClass), e);
            }

            // Restore the context ClassLoader
            throw new ServletException
                (sm.getString("standardWrapper.instantiate", servletClass), e);
        }

        // 加載聲明瞭 MultipartConfig 註解的信息
        if (multipartConfigElement == null) {
            MultipartConfig annotation =
                    servlet.getClass().getAnnotation(MultipartConfig.class);
            if (annotation != null) {
                multipartConfigElement =
                        new MultipartConfigElement(annotation);
            }
        }

        // 對 servlet 類型進行檢查
        if (servlet instanceof ContainerServlet) {
            ((ContainerServlet) servlet).setWrapper(this);
        }

        classLoadTime=(int) (System.currentTimeMillis() -t1);

        if (servlet instanceof SingleThreadModel) {
            if (instancePool == null) {
                instancePool = new Stack<>();
            }
            singleThreadModel = true;
        }

        // 初始化 servlet
        initServlet(servlet);

        fireContainerEvent("load", this);

        loadTime=System.currentTimeMillis() -t1;
    } finally {
        if (swallowOutput) {
            String log = SystemLogHandler.stopCapture();
            if (log != null && log.length() > 0) {
                if (getServletContext() != null) {
                    getServletContext().log(log);
                } else {
                    out.println(log);
                }
            }
        }
    }
    return servlet;

}

這裏加載 Servlet，若是該 Servlet 沒有被實例化過，那麼必定要加載一個。

到目前爲止，大體介紹了 Tomcat8 的主要組件，對 Tomcat 的總體架構也有個大體瞭解了，Tomcat 源碼進行重構後，可讀性確實要好不少，建議你們能夠去嘗試分析下，裏面的使用的一些設計模式，咱們在實際編碼過程當中，仍是有必定的借鑑意義。



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