深刻理解Tomcat架構

   Tomcat對於web開發人員來講再熟悉不過了，它是由Apache開發的一個免費開源的Web應用服務器。在Web開發時，常常用它構建輕量級的Java Web服務。想要簡單的使用Tomcat是很是容易的，可是想要深刻了解Tomcat體系必需要了解它背後的架構設計。

   本篇文章對《Tomcat內核設計剖析》這本書的閱讀總結，大概的梳理了一下Tomcat的架構設計、模塊組成。

   其實從Tomcat配置文件Server.xml的格式就能看出它的結構。

<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
<Server>
	<Listener/>
    <GlobalNamingResource>
    	<Resoource/>
    </GlobalNamingResource>
    <Service>
    	<Executor/>
        <Connector/>
        <Engine>
        	<Cluster/>
            <Realm/>
            <Host>
            	<Context/>
            </Host>
        </Engine>
    </Service>
</Server>
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Server組件

   Server組件表明整個Tomcat容器，是Tomcat最外層的組件，它包括三個部分：生命週期監聽器，全局命名資源，Service組件

1.生命週期監聽器

   因爲Tomcat是龐大而複雜的，而且它擁有不少組件，若是這些組件一個一個單獨啓動時很是麻煩的，並且容易遺漏，不易擴展其餘組件。因此Tomcat提供了監聽器方案，在其生命週期的不一樣階段調用監聽器，若是某個組件對於某事件感興趣，只須要實現接口便可

2.全局命名資源

   對應Server.xml配置文件的節點就是<GlobalNamingResource>,在Tomcat初始化時經過Digester框架將其解析成對象，並以樹狀結構存儲，它提供的命名對象經過ResourceLink給全部Web應用訪問使用。如：JNDI中存儲數據庫鏈接池對象。

3.監聽關閉命令

   Server組件會開放一個端口用於監聽命令，默認爲8005.當Tomcat接口收到「SHUTDOWN」命令時則會關閉程序。

Service組件

   Server組件中能夠包含多個Service組件，Service組件也是Tomcat最外層的組件之一。包含若干Connector組件和Executor組件組合而成，其中不一樣的Connector組件可使用不用的通訊協議，如：HTTP，AJP。

   Executor組件則是Service組件下的線程池，Connector組件能夠經過Executor組件實現線程池共享，默認狀況下使用本身的私有線程池，其餘組件也可使用。此外，Service組件還包含了一個很是重要的Engine組件，Connector組件負責接收客戶端消息，而Engine組件則負責處理客戶端消息。

Connector組件

   Connector主要職責就是接收客戶端鏈接並接收報文，將其解析後裔送給Engine處理。它的組件包括：Protocol組件，Mapper組件，CoyoteAdaptor組件。

   Protocol是協議的抽象，它有不一樣的實現，每個實現對應一種通訊協議，其中包括的Endpoint是接收端的抽象，分爲Acceptor專門接收客戶端鏈接的接收器組件和Executor線程池組件，Processor組件是對客戶端請求處理的抽象。

   Mapper是路由組件，它能夠將請求分發到對應的Web應用的某個Servlet上。

   而CoyoteAdaptor組價是一個適配器，它負責將Connector組件和Engine容器適配鏈接起來。

以Http協議來講：

   Protocol組件的HTTP實例則是Http11Protocol和HttpNIOProtocol。由IO模式的不一樣，能夠分爲阻塞模式和非阻塞模式

1.HTTP阻塞模式協議

   HttpProtocol表示阻塞式的HTTP協議通訊，由傳統Socket套接字爲底層實現，它包含JIoEndpoint和Http11Processor組件

• JIoEndpoint

   ServerSocketFactory根據不一樣的安全層次如HTTP，HTTPS建立ServerSocket對象供Acceptor使用。    鏈接數控制器（LimitLatch）對鏈接數進行計數，來一個請求加一，請求結束後減一。請求數過多時就阻塞請求或拒絕處理。    Socket接收器（Acceptor），監聽某個端口，當有鏈接時就將任務丟給任務執行器。    任務定義器（SocketProcessor），定義好任務處理的統一流程抽象，如:

{
	處理套接字輸出的響應報文；
	鏈接數計數器減一；
	關閉套接字；
}
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  任務執行器（Executor），維護一個任務隊列，不斷從任務隊列中取得任務，執行任務定義器定義好的任務。

• HTTP阻塞處理器（Http11Processor）   Http11Processor提供了對Http協議的通訊處理，將接收到的報文解析成咱們熟知的請求對象，Request和Response，提供一個門面對象供Web應用使用。

2.Http非阻塞模式協議

  Http11NIOProtocol表示非阻塞模式Http協議的通訊，它主要包含NioEndpoint組件和Http11NioProcessor組件。一個鏈接到來時，將被註冊到NioChannel隊列中，由Poller負責檢測通道的讀寫事件，並在建立任務後扔進線程池中。

  BIO模式在接收到一個請求時，將開啓一個線程處理該請求，此時一個線程只能處理一個請求，而且請求並非like發送數據，因爲網絡或業務的一些緣由，服務端並不能馬上接收到數據進行處理，而在等待數據準備的過程當中形成了資源浪費。

  NIO模式克服了這種弊端，它能基於時間在一個線程中同時維護大量鏈接，它將套接字工做交給一個線程，讀寫交給其餘N個線程，在接收請求後，它將請求放入Channel隊列中，用輪詢器不斷檢測通道讀寫事件，若是數據準備好了，可讀後，則將該鏈接交由鏈接池讀寫處理。

  NIO模式，對數據的操做讀寫，即調用基礎的IO操做API依然是阻塞的，只有對網絡IO纔是非阻塞的，在等待數據時是非阻塞的。

  同步非阻塞：同步時對IO來講，非阻塞是處理方式。

Engine容器

  Engine即爲全局引擎容器，它的標準實現爲StandardEngine。其中主要包括組件有Host、AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm、LifecycleListener、Log組件。

AccessLog、Log組件，日誌框架

  Tomcat提供了統一的日誌接口Log，並提供了國際化組件，在每一個Java包下面都會存在LocalStrings.properties的不一樣語言版本。而且以Java包爲單位劃分範圍，每一個類若是須要查找消息都到對應的java包下的properties文件中查找。

  還設計了客戶端訪問日誌記錄接口，並提供了不一樣的實現，對持久化方式的不一樣有FileAccessLog，JDBCAccessLog等，還能夠本身實現訪問日誌組件。

Pipeline（管道與閥門）

  在複雜的大型系統中，存在某個對象或數據流須要進行繁雜的邏輯處理，能夠採用管道模式，劃分出每一個小模塊互相獨立且各自負責一段邏輯處理。

  如Request、Response就是這種須要進行繁複加工處理的對象，採用管道在其中設置閥門處理邏輯。在Tomcat中有4個級別的容器分別是 Engine、Host、Context、Wrapper。請求對象將分別由這4個容器處理，在4個容器之間經過管道機制進行傳遞，請求對象先經過Engine管道，經由若干個閥門處理，最後由基礎閥門處理流轉到下一級通道，每一級管道都有一個基礎閥門。

Cluster（集羣）組件

  Tomcat提供了集羣功能，能夠快速的佈置Web集羣應用，而集羣之間的一些通訊則由Cluster組件完成。Cluster組件主要功能是提供會話複製，上下文屬性複製和在集羣下的web應用部署，而且Cluster組件可分爲兩個級別Engine和Host。

  在Cluster組件內部真正負責集羣間通訊的是Tribes組件，它維護着一個集羣內存活主機列表，當Cluster調用發送消息接口時，由Tribes組件將消息發送到集羣中的其餘主機上。

Realm組件

  Realm域其實能夠當作一個包含了用戶及密碼的數據庫，根據用戶角色的不一樣，限制用戶訪問應用的url或資源信息。Realm域是爲了統一web容器資源安全、管理，統一抽象重複認證工做方便web應用資源權限管理開發而提供的一個概念，它支持Engine、Host、Context級別容器的共享。

LifecycleListener

  LifecycleListener便是容器生命週期狀態監聽器。

Host組件

  Host組件是Servlet引擎中虛擬主機的抽象，Engine中能夠包含多個Host容器，而一個Host容器也能夠包含若干個Context容器，Host容器包括的組件有Context容器、AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm、HostConfig、Log組件

1.HostConfig

  Host做爲虛擬主機容器，用於放置Context級別容器，而Context其實對應的就是web應用，每一個Tomcat應用都有本身的配置，當Tomcat啓動時，必須把對應web屬性加載進Context中，若是在Tomcat啓動時加載配置，這樣對Context的配置修改不會馬上生效，必須重啓Tomcat。因此Tomcat採用監聽器的方式，當Tomcat啓動時觸發「START_EVENT」事件時執行web應用部署動做。

Context容器

  Context容器對應一個Web應用程序，它包含若干個Wrapper組件、Realm、AccessLog、ErrorPage、Manager、DirContext、安全認證組件、JarScanner、過濾器、NamingResource、Mapper、Pipeline、WebAppLoader、ApplicationContext、InstanceManager、ServletContainerInitializer和Listeners組件。

• AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm，已經介紹過。
• ErrorPage（錯誤頁面）：每一個Context容器都擁有各自的錯誤頁面對象，它能夠在Context標籤下進行配置。
• Manager（會話管理器）：用於Context容器下的會話管理，提供不一樣的實現，有基於內存的，基於文件的持久化，基於JDBC等實現方案，此外針對集羣，還提供了集羣會話管理器，能夠在集羣中同步共享會話。
• DirContext（目錄上下文）：屬於JNDI的標準接口，目的是採用一種簡單的方式訪問整個Web應用包含的文件，因爲web應用文件格式不一樣提供了WARDirContext、FileDirContext兩種實現。
• JarScanner：顧名思義，它是專門用於掃描Context對於的Web應用的jar包。
• 過濾器：在web開發中，過濾器是常用的組件之一，它提供了爲某個web應用的全部請求和響應作統一處理的功能。

Wrapper容器

  Wrapper容器對應的就是Servlet，它內部維持了一個Servlet對象或者一個Servlet對象池。通常來講一個Wrapper只有一個Servlet對象，因此全部處理線程都調用同一個Servlet對象，但某個Servlet實現了SingleThreadModel接口也容許多個對象存在。

  request，response對象由Context基礎閥門流轉到Wrapper容器管道後，通過Wrapper管道的多個閥門，最後進入基礎閥門，基礎閥門調用過濾鏈，最後調用Servlet接口的service方法,對於HttpServlet實現來講，在調用service方法後，HttpServlet在service方法內部對Method進行判斷，分別調用doGet、doPost等不一樣方法。

類加載器

  容器最重要的是對於資源的隔離，Tomcat採用自定義的類加載器完成了資源的隔離解決了如下四個問題：

• 同一個Web服務器內，各web項目之間的java類庫相互隔離
• 同一個web服務器內，各web項目能夠共享java類庫
• 服務器不能收web項目影響，因此服務器類庫應該與應用程序隔離
• 支持熱重載

  使用java類加載器能夠動態加載須要的類，沒有使用到的類不須要加載，能夠節省程序運行內存。在java中咱們用徹底匹配類名來標識一個類，而在JVM中由徹底匹配類名和一個類加載器的實例Id做爲惟一標識。也就是說，同一個虛擬機能夠有兩個包名、類名都相同的類，只要它們由兩個不一樣的類加載器加載。這種特徵爲咱們提供了隔離機制，只要對不一樣的web項目用不一樣的類加載器加載jar包就能夠隔離開資源類庫。而在熱重載的時候，只須要從新建立一個類加載器替換舊的類加載器，而原來的類加載器會被gc回收，就能夠不用重啓Tomcat而從新加載了web應用程序。

Jasper

  Jasper就是JSP解析引擎，Tomcat使用Jasper解析Jsp文件，將之轉化成繼承HttpJspBase的類文件，而後用Eclipse JDT java編譯器或Ant編譯器將java文件編譯成字節碼文件，最後採用類加載器加載字節碼文件。這也是爲何Tomcat第一次訪問jsp文件比較慢的緣由，它須要將jsp編譯成字節碼文件加載運行，在第一次加載完成後，Tomcat將它緩存下來下次就能夠直接使用，而且Tomcat會在後臺線程不斷檢測Jsp文件與編譯後的字節碼文件的最後修改時間是否相同，若是不相同，則表示jsp文件有改動，則須要從新編譯。

總結

  Tomcat是一個十分龐大的項目，其中涉及到方方面面的知識，我根據《Tomcat內核設計剖析》這本書的介紹從宏觀上了解了Tomcat的整體設計，依然某些方面理解起來十分吃力，對於Tomcat架構的細節方面依然須要時間慢慢體會，深刻挖掘。本文也是比較淺顯的作了一下讀書筆記，若是其中有些地方我理解錯誤，歡迎評論指出。

  大概回想了一下，關於Tomcat架構主要就是圍繞Connector和Container組件，一個是接收器，一個是處理容器，而Container組件在Tomcat中沒有顯示標明，它其實就是Engine容器。經過接收器監聽端口鏈接，當有請求到來時，接收器將獲取請求讀取請求報文解析成Request、Response對象，以後交給Engine引擎進行處理，通過一層層處理後，接收器再將Response對象解析成響應報文返回給客戶端。