应用服务器知识(5)--Tomcat源码分析

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下面谈谈我对Tomcat架构的理解

总体架构：

面向组件架构

基于JMX

事件侦听

1）面向组件架构

tomcat代码看似很庞大，但从结构上看却很清晰和简单，它主要由一堆组件组成，如Server、Service、Connector等，并基于JMX管理这些组件，另外实现以上接口的组件也实现了代表生存期的接口Lifecycle，使其组件履行固定的生存期，在其整个生存期的过程中通过事件侦听LifecycleEvent实现扩展。Tomcat的核心类图如下所示：



Catalina：与开始/关闭shell脚本交互的主类，因此如果要研究启动和关闭的过程，就从这个类开始看起。

Server：是整个Tomcat组件的容器，包含一个或多个Service。

Service：Service是包含Connector和Container的集合，Service用适当的Connector接收用户的请求，再发给相应的Container来处理。

Connector：实现某一协议的连接器，如默认的有实现HTTP、HTTPS、AJP协议的。

Container：可以理解为处理某类型请求的容器，处理的方式一般为把处理请求的处理器包装为Valve对象，并按一定顺序放入类型为Pipeline的管道里。Container有多种子类型：Engine、Host、Context和Wrapper，这几种子类型Container依次包含，处理不同粒度的请求。另外Container里包含一些基础服务，如Loader、Manager和Realm。

Engine：Engine包含Host和Context，接到请求后仍给相应的Host在相应的Context里处理。

Host：就是我们所理解的虚拟主机。

Context：就是我们所部属的具体Web应用的上下文，每个请求都在是相应的上下文里处理的。

Wrapper：Wrapper是针对每个Servlet的Container，每个Servlet都有相应的Wrapper来管理。

可以看出Server、Service、Connector、Container、Engine、Host、Context和Wrapper这些核心组件的作用范围是逐层递减，并逐层包含。

下面就是些被Container所用的基础组件：

Loader：是被Container用来载入各种所需的Class。

Manager：是被Container用来管理Session池。

Realm：是用来处理安全里授权与认证。

分析完核心类后，再看看Tomcat启动的过程，Tomcat启动的时序图如下所示：



从上图可以看出，Tomcat启动分为init和start两个过程，核心组件都实现了Lifecycle接口，都需实现start方法，因此在start过程中就是从Server开始逐层调用子组件的start过程。

2）基于JMX

Tomcat会为每个组件进行注册过程，通过Registry管理起来，而Registry是基于JMX来实现的，因此在看组件的init和start过程实际上就是初始化MBean和触发MBean的start方法，会大量看到形如：

Registry.getRegistry(null, null).invoke(mbeans, “init”, false);

Registry.getRegistry(null, null).invoke(mbeans, “start”, false);

这样的代码，这实际上就是通过JMX管理各种组件的行为和生命期。

3）事件侦听

各个组件在其生命期中会有各种各样行为，而这些行为都有触发相应的事件，Tomcat就是通过侦听这些时间达到对这些行为进行扩展的目的。在看组件的init和start过程中会看到大量如：

lifecycle.fireLifecycleEvent(AFTER_START_EVENT, null);这样的代码，这就是对某一类型事件的触发，如果你想在其中加入自己的行为，就只用注册相应类型的事件即可。

一次完整请求的里里外外

Tomcat最本质就是个能运行JSP/Servlet的Web服务器 ， 因此最典型的应用就是用户通过浏览器访问服务器，Tomcat接收到请求后转发给Servlet，由Servlet处理完后，把结果返回给客户端。今天就专门解析一下这么一个完整的请求的内部机理。

通过DEBUG，一路跟下来，发现Tomcat处理请求的核心过程是以下几点：

启动的时候启动预支持协议的Endpoint，Endpoint会起专门的线程监听相应协议的请求，默认的情况下，会启动JIoEndpoint，JIoEndpoint基于Java ServerSocket接收Http的请求

ServerSocket接收到客户端请求的Socket后，一路包装，并一路从Host一直传递到Wrapper，再请求到相应的Servlet

下面将重点解析以上两个过程。

通过以前的分析可知道当Tomcat启动的时候会启动Connector，此时Connector会通过ProtocolHandler把Endpoint启动起来。默认情况下，Tomcat会启动两种Connector，分别是Http协议和AJP协议的，依次对应Http11Protocol和AjpProtocol，两者都是启动JIoEndpoint。下面看看JIoEndpoint的start方法：

public void start() throws Exception {
// Initialize socket if not done before
if (!initialized) {
init();
}
if (!running) {
running = true;
paused = false;
// Create worker collection
if (getExecutor() == null) {
createExecutor();
}
// Start acceptor threads
for (int i = 0; i < acceptorThreadCount; i++) {
Thread acceptorThread = new Thread(new Acceptor(), getName() + "-Acceptor-" + i);
acceptorThread.setPriority(threadPriority);
acceptorThread.setDaemon(getDaemon());
acceptorThread.start();
}
}
}

以上代码很清晰地表示启动acceptorThreadCount个线程，每个线程由Acceptor代理，具体看看Acceptor的run方法：

public void run() {
// Loop until we receive a shutdown command
while (running) {
// Loop if endpoint is paused
while (paused) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
// Ignore
}
}
// Accept the next incoming connection from the server socket
try {
Socket socket = serverSocketFactory.acceptSocket(serverSocket);
serverSocketFactory.initSocket(socket);
// Hand this socket off to an appropriate processor
if (!processSocket(socket)) {
// Close socket right away
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
// Ignore
}
}
}catch ( IOException x ) {
if ( running ) log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), x);
} catch (Throwable t) {
log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), t);
}
// The processor will recycle itself when it finishes
}
}

由此可得到这么一个结论：Tomcat就是通过ServerSocket监听Socket的方式来接收客户端请求的。具体代码就无需我解析了，稍微了解Java net的人都能看懂以上代码，Tomcat就是用最标准和最基础的Socket调用方法来处理网络请求的。找到处理请求的源头后下面要做的是事情就简单了，打好断点，在浏览器里请求一个最简单的Hello world，一路debug下去。一路跟下来，主流程的时序图如下所示：



从上图可知，以上过程可分解成以下三个最主要的核心点：

基于Http1.1协议对Socket的解析和包装

StandardEngineValve、StandardHostValve、StandardContextValve和StandardWrapperValve四种Valve的一路inoke。四种不同层次的Valve做了不同层次的处理和封装

基于责任链模式ApplicationFilterChain实现Filter拦截和实际Servlet的请求