萬字詳解 Tomcat 組成與工作原理

-     Tomcat 是什麼    -

開源的 Java Web 應用服務器，實現了 Java EE(Java Platform Enterprise Edition) 的部 分技術規範，比如 Java Servlet、Java Server Page、JSTL、Java WebSocket。Java EE 是 Sun 公 司爲企業級應用推出的標準平臺，定義了一系列用於企業級開發的技術規範，除了上述的之外，還有 EJB、Java Mail、JPA、JTA、JMS 等，而這些都依賴具體容器的實現。

上圖對比了 Java EE 容器的實現情況，Tomcat 和 Jetty 都只提供了 Java Web 容器必需的 Servlet 和 JSP 規範，開發者要想實現其他的功能，需要自己依賴其他開源實現。

Glassfish 是由 sun 公司推出，Java EE 最新規範出來之後，首先會在 Glassfish 上進行實 現，所以是研究 Java EE 最新技術的首選。

最常見的情況是使用 Tomcat 作爲 Java Web 服務器，使用 Spring 提供的開箱即用的強大 的功能，並依賴其他開源庫來完成負責的業務功能實現。

-     Servlet 容器    -

Tomcat 組成如下圖：主要有 Container 和 Connector 以及相關組件構成。

Server：指的就是整個 Tomcat 服 務器，包含多組服務，負責管理和 啓動各個 Service，同時監聽 8005 端口發過來的 shutdown 命令，用 於關閉整個容器 。

Service：Tomcat 封裝的、對外提 供完整的、基於組件的 web 服務， 包含 Connectors、Container 兩個 核心組件，以及多個功能組件，各 個 Service 之間是獨立的，但是共享 同一 JVM 的資源 。

Connector：Tomcat 與外部世界的連接器，監聽固定端口接收外部請求，傳遞給 Container，並 將 Container 處理的結果返回給外部。

Container：Catalina，Servlet 容器，內部有多層容器組成，用於管理 Servlet 生命週期，調用 servlet 相關方法。

Loader：封裝了 Java ClassLoader，用於 Container 加載類文件；Realm：Tomcat 中爲 web 應用程序提供訪問認證和角色管理的機制。

JMX：Java SE 中定義技術規範，是一個爲應用程序、設備、系統等植入管理功能的框架，通過 JMX 可以遠程監控 Tomcat 的運行狀態。

Jasper：Tomcat 的 Jsp 解析引擎，用於將 Jsp 轉換成 Java 文件，並編譯成 class 文件。Session：負責管理和創建 session，以及 Session 的持久化 (可自定義)，支持 session 的集 羣。

Pipeline：在容器中充當管道的作用，管道中可以設置各種 valve(閥門)，請求和響應在經由管 道中各個閥門處理，提供了一種靈活可配置的處理請求和響應的機制。

Naming：命名服務，JNDI， Java 命名和目錄接口，是一組在 Java 應用中訪問命名和目錄服務的 API。命名服務將名稱和對象聯繫起來，使得我們可以用名稱訪問對象，目錄服務也是一種命名 服務，對象不但有名稱，還有屬性。Tomcat 中可以使用 JNDI 定義數據源、配置信息，用於開發 與部署的分離。

-     Container 組成    -

Engine：Servlet 的頂層容器，包含一 個或多個 Host 子容器；Host：虛擬主機，負責 web 應用的部 署和 Context 的創建；Context：Web 應用上下文，包含多個 Wrapper，負責 web 配置的解析、管 理所有的 Web 資源；Wrapper：最底層的容器，是對 Servlet 的封裝，負責 Servlet 實例的創 建、執行和銷燬。

生命週期管理 Tomcat 爲了方便管理組件和容器的生命週期，定義了從創建、啓動、到停止、銷燬共 12 中狀態，tomcat 生命週期管理了內部狀態變化的規則控制，組件和容器只需實現相應的生命週期 方法即可完成各生命週期內的操作 (initInternal、startInternal、stopInternal、 destroyInternal)；

比如執行初始化操作時，會判斷當前狀態是否 New，如果不是則拋出生命週期異常；是的 話則設置當前狀態爲 Initializing，並執行 initInternal 方法，由子類實現，方法執行成功則設置當 前狀態爲 Initialized，執行失敗則設置爲 Failed 狀態；

Tomcat 的生命週期管理引入了事件機制，在組件或容器的生命週期狀態發生變化時會通 知事件監聽器，監聽器通過判斷事件的類型來進行相應的操作。事件監聽器的添加可以在 server.xml 文件中進行配置。

Tomcat 各類容器的配置過程就是通過添加 listener 的方式來進行的，從而達到配置邏輯與 容器的解耦。如 EngineConfig、HostConfig、ContextConfig。EngineConfig：主要打印啓動和停止日誌 HostConfig：主要處理部署應用，解析應用 META-INF/context.xml 並創建應用的 Context ContextConfig：主要解析併合並 web.xml，掃描應用的各類 web 資源 (filter、servlet、listener)。

-     Tomcat 的啓動過程    -

啓動從 Tomcat 提供的 start.sh 腳本開始，shell 腳本會調用 Bootstrap 的 main 方法，實際 調用了 Catalina 相應的 load、start 方法。

load 方法會通過 Digester 進行 config/server.xml 的解析，在解析的過程中會根據 xml 中的關係 和配置信息來創建容器，並設置相關的屬性。接着 Catalina 會調用 StandardServer 的 init 和 start 方法進行容器的初始化和啓動。

按照 xml 的配置關係，server 的子元素是 service，service 的子元素是頂層容器 Engine，每層容器有持有自己的子容器，而這些元素都實現了生命週期管理 的各個方法，因此就很容易的完成整個容器的啓動、關閉等生命週期的管理。

StandardServer 完成 init 和 start 方法調用後，會一直監聽來自 8005 端口 (可配置)，如果接收 到 shutdown 命令，則會退出循環監聽，執行後續的 stop 和 destroy 方法，完成 Tomcat 容器的 關閉。同時也會調用 JVM 的 Runtime.getRuntime()﴿.addShutdownHook 方法，在虛擬機意外退 出的時候來關閉容器。

所有容器都是繼承自 ContainerBase，基類中封裝了容器中的重複工作，負責啓動容器相關的組 件 Loader、Logger、Manager、Cluster、Pipeline，啓動子容器 (線程池併發啓動子容器，通過 線程池 submit 多個線程，調用後返回 Future 對象，線程內部啓動子容器，接着調用 Future 對象 的 get 方法來等待執行結果)。

List<Future<Void>> results = new ArrayList<Future<Void>>();
for (int i = 0; i < children.length; i++) {
    results.add(startStopExecutor.submit(new StartChild(children[i])));
}
boolean fail = false;
for (Future<Void> result ：results) {
    try {
        result.get();
    } catch (Exception e) {
        log.error(sm.getString("containerBase.threadedStartFailed")， e);
        fail = true;
    }
}

Web 應用的部署方式注：catalina.home：安裝目錄; catalina.base：工作目錄; 默認值 user.dir：

HostConfig 監聽了 StandardHost 容器的事件，在 start 方法中解析上述配置文件：

注：

ContextConfig 解析 context.xml 順序：

ContextConfig 解析 web.xml 順序：

注：

-     Servlet 生命週期    -****

Servlet 是用 Java 編寫的服務器端程序。其主要功能在於交互式地瀏覽和修改數據，生成動態 Web 內容。

  1. 請求到達 server 端，server 根據 url 映射到相應的 Servlet

  2. 判斷 Servlet 實例是否存在，不存在則加載和實例化 Servlet 並調用 init 方法

  3. Server 分別創建 Request 和 Response 對象，調用 Servlet 實例的 service 方法 (service 方法 內部會根據 http 請求方法類型調用相應的 doXXX 方法)

  4. doXXX 方法內爲業務邏輯實現，從 Request 對象獲取請求參數，處理完畢之後將結果通過 response 對象返回給調用方

  5. 當 Server 不再需要 Servlet 時 (一般當 Server 關閉時)，Server 調用 Servlet 的 destroy() 方 法。

-     load on startup    -

當值爲 0 或者大於 0 時，表示容器在應用啓動時就加載這個 servlet; 當是一個負數時或者沒有指定時，則指示容器在該 servlet 被選擇時才加載; 正數的值越小，啓動該 servlet 的優先級越高。

single thread model

每次訪問 servlet，新建 servlet 實體對象，但並不能保證線程安全，同時 tomcat 會限制 servlet 的實例數目 最佳實踐：不要使用該模型，servlet 中不要有全局變量。

-     請求處理過程    -

  1. 根據 server.xml 配置的指定的 connector 以及端口監聽 http、或者 ajp 請求

  2. 請求到來時建立連接, 解析請求參數, 創建 Request 和 Response 對象, 調用頂層容器 pipeline 的 invoke 方法

  3. 容器之間層層調用, 最終調用業務 servlet 的 service 方法

  4. Connector 將 response 流中的數據寫到 socket 中

-     Pipeline 與 Valve    -

Pipeline 可以理解爲現實中的管道, Valve 爲管道中的閥門, Request 和 Response 對象在管道中 經過各個閥門的處理和控制。

每個容器的管道中都有一個必不可少的 basic valve, 其他的都是可選的, basic valve 在管道中最 後調用, 同時負責調用子容器的第一個 valve。

Valve 中主要的三個方法: setNext、getNext、invoke;valve 之間的關係是單向鏈式結構, 本身 invoke 方法中會調用下一個 valve 的 invoke 方法。

各層容器對應的 basic valve 分別是 StandardEngineValve、StandardHostValve、 StandardContextValve、StandardWrapperValve。

-     JSP 引擎    -

JSP 生命週期

JSP 元素代碼片段：<% 代碼片段 %> JSP 聲明：<%! declaration; [ declaration; ]+ ... %> JSP 表達式：<%= 表達式 %> JSP 註釋：<%-- 註釋 --%> JSP 指令：   <%@ directive attribute=“value” %> JSP 行爲：   <jsp:action_name attribute=“value” /> HTML 元素：html/head/body/div/p/… JSP 隱式對象：request、response、out、session、application、config、 pageContext、page、Exception

**JSP 元素說明 ** 代碼片段: 包含任意量的 Java 語句、變量、方法或表達式; JSP 聲明: 一個聲明語句可以聲明一個或多個變量、方法, 供後面的 Java 代碼使用; JSP 表達式: 輸出 Java 表達式的值, String 形式; JSP 註釋: 爲代碼作註釋以及將某段代碼註釋掉 JSP 指令: 用來設置與整個 JSP 頁面相關的屬性, <%@ page ... %> 定義頁面的依賴屬性, 比如 language、contentType、errorPage、 isErrorPage、import、isThreadSafe、session 等等 <%@ include ... %> 包含其他的 JSP 文件、HTML 文件或文本文件, 是該 JSP 文件的一部分, 會 被同時編譯執行 <%@ taglib ... %> 引入標籤庫的定義, 可以是自定義標籤 JSP 行爲: jsp:include、jsp:useBean、jsp:setProperty、jsp:getProperty、jsp:forward

-     Jsp 解析過程    -

-     Connector    -

Http:HTTP 是超文本傳輸協議, 是客戶端瀏覽器或其他程序與 Web 服務器之間的應用層通信協 議 AJP:Apache JServ 協議 (AJP) 是一種二進制協議, 專門代理從 Web 服務器到位於後端的應用 程序服務器的入站請求阻塞 IO。

非阻塞 IO

**** IO 多路複用 ****

阻塞與非阻塞的區別在於進行讀操作和寫操作的系統調用時，如果此時內核態沒有數據可讀或者沒有緩衝空間可寫時，是否阻塞。

IO 多路複用的好處在於可同時監聽多個 socket 的可讀和可寫事件，這樣就能使得應用可以同時監聽多個 socket，釋放了應用線程資源。

Tomcat 各類 Connector 對比

Connector 的實現模式有三種，分別是 BIO、NIO、APR，可以在 server.xml 中指定。

Apache Portable Runtime 是一個高度可移植的庫，它是 Apache HTTP Server 2.x 的核心。APR 具有許多用途，包括訪問高級 IO 功能（如 sendfile，epoll 和 OpenSSL），操作系統級功能（隨機數生成，系統狀態等）和本地進程處理（共享內存，NT 管道和 Unix 套接字）。

表格中字段含義說明：

NIO 處理相關類

Acceptor 線程負責接收連接，調用 accept 方法阻塞接收建立的連接，並對 socket 進行封裝成 PollerEvent，指定註冊的事件爲 op_read，並放入到 EventQueue 隊列中，PollerEvent 的 run 方法邏輯的是將 Selector 註冊到 socket 的指定事件。

Poller 線程從 EventQueue 獲取 PollerEvent，並執行 PollerEvent 的 run 方法，調用 Selector 的 select 方法，如果有可讀的 Socket 則創建 Http11NioProcessor，放入到線程池中執行。

CoyoteAdapter 是 Connector 到 Container 的適配器，Http11NioProcessor 調用其提供的 service 方法，內部創建 Request 和 Response 對象，並調用最頂層容器的 Pipeline 中的第一個 Valve 的 invoke 方法。

Mapper 主要處理 http url 到 servlet 的映射規則的解析，對外提供 map 方法。

-     NIO Connector 主要參數    -

Comet

Comet 是一種用於 web 的推送技術，能使服務器實時地將更新的信息傳送到客戶端，而無須客戶端發出請求 在 WebSocket 出來之前，如果不使用 comet，只能通過瀏覽器端輪詢 Server 來模擬實現服務器端推送。Comet 支持 servlet 異步處理 IO，當連接上數據可讀時觸發事件，並異步寫數據 (阻塞)。

Tomcat 要實現 Comet，只需繼承 HttpServlet 同時，實現 CometProcessor 接口：

Note：

異步 Servlet

傳統流程：

異步處理流程：

Servlet 線程將請求轉交給一個異步線程來執行業務處理，線程本身返回至容器，此時 Servlet 還沒有生成響應數據，異步線程處理完業務以後，可以直接生成響應數據（異步線程擁有 ServletRequest 和 ServletResponse 對象的引用）。

爲什麼 web 應用中支持異步？

推出異步，主要是針對那些比較耗時的請求：比如一次緩慢的數據庫查詢，一次外部 REST API 調用, 或者是其他一些 I/O 密集型操作。這種耗時的請求會很快的耗光 Servlet 容器的線程池，繼而影響可擴展性。

Note：從客戶端的角度來看，request 仍然像任何其他的 HTTP 的 request-response 交互一樣，只是耗費了更長的時間而已。

異步事件監聽

Note : onError/ onTimeout 觸發後，會緊接着回調 onComplete onComplete 執行後，就不可再操作 request 和 response。

作者：VectorJin

來源：juejin.cn/post/6844903473482317837

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/jyNAsqHaZ2EqA02LMyNyeg

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