深入分析SpringBoot源码如何内嵌Tomcat容器？

作者：[strong]陌北有棵树，Java人，架构师社区合伙人！[/strong]

【一】总述

SpringBoot的诞生，极大的简化了Spring框架的使用过程，提升了开发效率，可以把它理解为一个整合包，使用了SpringBoot，就可以不用自己去进行繁琐的配置，通过几个简单的注解，就可以构建一个基于REST的服务。同时，SpringBoot的快速构建部署的特性，为当下大热的微服务落地提供了极大的便利，可以说是构建微服务的理想框架。归纳来说SpringBoot的特性有如下几点：

1. 自动配置

2. 内置tomcat、jetty、undertow 三大web容器

3. 将Web应用打成jar包启动

那么SpringBoot是怎样做到上述三个特性的呢？是我接下来的研究方向，本篇主要研究的是后两个特点，如何内嵌了Web容易，将应用打成jar包，怎么还能像Web程序一样运行。本文是笔者患难与共的好兄弟Dewey Ding及笔者Debug了若干天的成果，谨以此篇留作纪念。

【二】问题引出和总体思路

• 按照常规的Web容器的启动方式，明显是无法和SpringBoot这种jar包的运行方式兼容的，那么他们之间是如何做到无缝衔接的合作呢？

• 最终运行的依然是SpringMVC框架，那么SpringBoot又是如何做到在内置了Tomcat的同时，又和SpringMVC无缝衔接的呢？

• 综上所述，整个系列需要研究的技术点如下（本文并未完全覆盖）：

1. SpringBoot启动Tomcat

2. SpringMVC初始化DispatcherServlet

3. Tomcat的两种启动方式

4. Tomcat在SpringBoot中如何拿到配置

【三】SpringBoot启动过程具体分析

在SpringBoot中，一个Web应用从启动到接收请求，我粗略将它分为四步：

1. SpringBoot初始化

• 初始化SpringApplication：包括环境变量、资源、构造器、监听器

• 开始启动：启动监听（listeners）、加载配置（environment）、创建上下文（applicationContext）

• 自动化配置：这个部分等到后面单独研究

Tomcat初始化

Tomcat接收请求

SpringMVC初始化这一部分的学习真可谓一波三折，每次Debug SpringApplication的run方法，都会迷失在茫茫的源码之中，看书和博客也都是云里雾里，所以这次决定换一种学法，先从宏观上了解都要做什么，至于具体细节，等到需要的时候再去分析。比如今天要了解的是和Tomcat启动相关的部分，那么就先只了解这个模块。关于SpringBoot和Tomcat是如何合作的，在实际Debug之前，我们先抛出如下几个问题：

• SpringBoot有main()方法，可以直接打成jar包运行；SpringMVC没有main方法，所以无法自己启动，要依赖Tomcat，Tomcat本质是个容器，所以Tomcat中一定有main方法或者线程的start()方法来启动Spring程序

• /WEB-INF是Web应用需要的，SpringMVC配置了这个，是为了Tomcat读取，从而启动Web容器

• 项目要部署到webapp目录下，才能被Tomcat运行

• 那么问题来了，SpringBoot没有做这些配置，是怎么做到内置Tomcat容器，并让Tomcat启动的呢？

【SpringBoot和Tomcat的初始化】

我们先来看Tomcat的启动时在SpringBoot启动的哪一步？这里只列举比较关键的几步:

1. SpringApplication的run方法

   org.springframework.boot.SpringApplication#run(java.lang.String...)

2. 刷新IOC容器（Bean的实例化）

   org.springframework.boot.SpringApplication#refreshContext()org.springframework.boot.web.servlet.context.ServletWebServerApplicationContext#onRefresh()

3. 创建WebServer

   在org.springframework.boot.web.servlet.context.ServletWebServerApplicationContext#onRefresh调用了createWebServer

   org.springframework.boot.web.servlet.context.ServletWebServerApplicationContext#createWebServer()

   private void createWebServer() {    WebServer webServer = this.webServer;    ServletContext servletContext = getServletContext();    if (webServer == null && servletContext == null) {           // 重点：这时初始化了dispatcherServlet        ServletWebServerFactory factory = getWebServerFactory();        // 创建        this.webServer = factory.getWebServer(getSelfInitializer());    }    else if (servletContext != null) {        try {           // 启动            getSelfInitializer().onStartup(servletContext);        }        catch (ServletException ex) {            throw new ApplicationContextException("Cannot initialize servlet context", ex);        }    }    initPropertySources();}

   这里就是Tomcat的创建和启动过程了，关于下面这两行代码中，蕴含着我们尚未去发现的秘密，后面会继续分析（蕴含着的秘密真的坑苦了我们，竟然与它擦肩而过，然后绕了一大圈才回来，泪奔中~~）：

   this.webServer = factory.getWebServer(getSelfInitializer());······getSelfInitializer().onStartup(servletContext);

   在这里创建了Tomcat，Connector，Host，Engine并且设置一些属性，关于Tomcat的具体内容，由于内容比较多，就不在此篇详细展开，后续会专门研究。这里我们发现，在Tomcat启动的时候，servletClass还没有获取到dispatcherServlet，而在第一次收到请求时，servletClass就变成了dispatcherServlet，这里就对我们形成了一定误导，以为是第一次收到请求时To 3ff7 mcat才加载了默认的wrapper，后来才发现出现了偏差，经历了无数次断点后，才回到正确的路上。

   

   
   

4. 这里不得不提到，一个最开始被我们忽略，后来才发现是个重要的地方：getSelfInitializer() 。关于SpringBoot是如何把“/”和“dispatcherServlet”的关联给到Tomcat这件事，就蕴含在下面这段代码之中：

   //注意 selfInitializeprivate org.springframework.boot.web.servlet.ServletContextInitializer getSelfInitializer() {    return this::selfInitialize;}//注意 getServletContextInitializerBeans()private void selfInitialize(ServletContext servletContext) throws ServletException {    prepareWebApplicationContext(servletContext);    registerApplicationScope(servletContext);    WebApplicationContextUtils.registerEnvironmentBeans(getBeanFactory(), servletContext);    for (ServletContextInitializer beans : getServletContextInitializerBeans()) {        beans.onStartup(servletContext);    }}//注意 ServletContextInitializerBeans()protected Collection<ServletContextInitializer> getServletContextInitializerBeans() {    return new ServletContextInitializerBeans(getBeanFactory());}// 注意 this.initializers 和 addServletContextInitializerBeanspublic ServletContextInitializerBeans(ListableBeanFactory beanFactory,        Class<? extends ServletContextInitializer>... initializerTypes) {    this.initializers = new LinkedMultiValueMap<>();    this.initializerTypes = (initializerTypes.length != 0) ? Arrays.asList(initializerTypes)            : Collections.singletonList(ServletContextInitializer.class);    addServletContextInitializerBeans(beanFactory);    addAdaptableBeans(beanFactory);    List<ServletContextInitializer> sortedInitializers = this.initializers.values().stream()            .flatMap((value) -> value.stream().sorted(AnnotationAwareOrderComparator.INSTANCE))            .collect(Collectors.toList());    this.sortedList = Collections.unmodifiableList(sortedInitializers);    logMappings(this.initializers);}

   让我们来看两张对比图：

   

   
   

5. 通过上面两个Debug的断点图，我们可以看到，在执行了addServletContextInitializerBeans(beanFactory)和addAdaptableBeans(beanFactory)方法之后，this.initializers的赋值发生了变化，两个Servlet，四个Filter都被赋到里面，至于这两个方法中的处理逻辑，此时已经心累到不想去看，暂记jira。

   接下来的onStartup()方法，调用了接口org.springframework.boot.web.servlet.ServletContextInitializeronStartup()方法。

这里有下面几点需要注意：

• SpringBoot创建Tomcat时，会先创建一个根上下文，webapplicationcontext传给tomcat

• 启动web容器，要先getWebserver，会创建tomcat的Webserver - 这里会把根上下文作为参数给org.springframework.boot.web.embedded.tomcat.TomcatServletWebServerFactory#getWebServer，这里和tomcat的context进行merge

• 初始化servletcontext - 会把root上下文放进去，后面初始化dispatcherServlet时，会通过servletcontext拿到根上下文

• 启动tomcat：调用Tomcat中Host、Engine的启动方法

【DIspatcherServlet的初始化】

初始化DispatcherServlet，是在第一次发起Web请求的时候（AbstractAnnotationConfigDispatcherServletInitializer）

• AbstractAnnotationConfigDispatcherServletInitializer

1. 初始化ContextLoaderListener：创建ApplicationContext（根上下文）

2. 初始化DispatcherServlet - 这时需要用ApplicationContext

3. ApplicationContext是ServletContext的父上下文（WebApplicationContext是Spring为web应用提供的接口） 

4. 可以创建多个DispatcherServlet，每个可以创建自己内部的子上下文（每个Servlet都会有一个上下文）

5. DispatcherServlet建立上下文是为了持有Spring MVC的Bean对象

具体调用过程如下：

• javax.servlet.GenericServlet#init(javax.servlet.ServletConfig)

  GenericServlet实现了Servlet接口

• 这个方法启动SpringBoot时会调用一次，初始化dispatcherServlet时还会调用一次，不过两次的config中的serviceClass不一样，第二次是dispatcherServlet

org.springframework.web.servlet.HttpServletBean#init

org.springframework.web.servlet.FrameworkServlet#initServletBean

protected WebApplicationContext initWebApplicationContext() {        WebApplicationContext rootContext =                WebApplicationContextUtils.getWebApplicationContext(getServletContext());        WebApplicationContext wac = null;        if (this.webApplicationContext != null) {            // A context instance was injected at construction time -> use it            wac = this.webApplicationContext;            if (wac instanceof ConfigurableWebApplicationContext) {                ConfigurableWebApplicationContext cwac = (ConfigurableWebApplicationContext) wac;                if (!cwac.isActive()) {                    // The context has not yet been refreshed -> provide services such as                    // setting the parent context, setting the application context id, etc                    if (cwac.getParent() == null) {                        // The context instance was injected without an explicit parent -> set                        // the root application context (if any; may be null) as the parent                        cwac.setParent(rootContext);                    }                    configureAndRefreshWebApplicationContext(cwac);                }            }        }        if (wac == null) {            // No context instance was injected at construction time -> see if one            // has been registered in the servlet context. If one exists, it is assumed            // that the parent context (if any) has already been set and that the            // user has performed any initialization such as setting the context id            wac = findWebApplicationContext();        }        if (wac == null) {            // No context instance is defined for this servlet -> create a local one            wac = createWebApplicationContext(rootContext);        }        if (!this.refreshEventReceived) {            // Either the context is not a ConfigurableApplicationContext with refresh            // support or the context injected at construction time had already been            // refreshed -> trigger initial onRefresh manually here.            synchronized (this.onRefreshMonitor) {                //重要的刷新上下文操作                onRefresh(wac);            }        }        if (this.publishContext) {            // Publish the context as a servlet context attribute.            String attrName = getServletContextAttributeName();            getServletContext().setAttribute(attrName, wac);        }        return wac;    }

• 获取根上下文（这时根上下文已经在SpringBoot启动时初始化好了）

• 然后把根上下文给webApplicationContext

• org.springframework.web.servlet.DispatcherServlet#onRefresh - 这时就要刷新子上下文了，刷新上下文要刷新HandlerMapping，HandlerAdapter这些

  protected void initStrategies(ApplicationContext context) {    initMultipartResolver(context);    initLocaleResolver(context);    initThemeResolver(context);    initHandlerMappings(context);    initHandlerAdapters(context);    initHandlerExceptionResolvers(context);    initRequestToViewNameTranslator(context);    initViewResolvers(context);    initFlashMapManager(context);}

  这里记录几个重要的时间点：

• 这时会打印“Initializing Servlet 'dispatcherServlet'”日志，

• org.springframework.web.servlet.FrameworkServlet#initWebApplicationContext

• 这部分比较重要，附上代码：

【四】SpringMVC和SpringBoot在启动过程中不同点归纳

关于SpringMVC、SpringBoot与Tomcat合作中，启动方式不同点的总结如下

• SpringMVC

1. 先启动tomcat，tomcat会去找web.xml,找到的是DispatcherServlet

2. 初始化DispatcherServlet的上下文，要从ServletContext中找根上下文，这时是没有的

3. 创建根上下文

Springboot

1. 在启动过程中，SpringBoot会将DispatcherServlet给到Tomcat的Service的defaultWrapper中（如何给到的后面会说明）

2. Tomcat启动时，就会把“/”路径和DispatcherServlet匹配

3. 当第一次发起Web请求时，初始化DispatcherServlet，包括HandlerMapping，HandlerAdapter

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