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聊聊Tomcat的架构设计

2019-05-30
zch

Tomcat 是 Java WEB 开发接触最多的 Servlet 容器,但它不仅仅是一个 Servlet 容器,它还是一个 WEB 应用服务器,在微服务架构体系下,为了降低部署成本,减少资源的开销,追求的是轻量化与稳定,而 Tomcat 是一个轻量级应用服务器,自然被很多开发人员所接受。

Tomcat 里面藏着很多值得我们每个 Java WEB 开发者学习的知识,可以这么说,当你弄懂了 Tomcat 的设计原理,Java WEB 开发对你来说已经没有什么秘密可言了。本篇文章主要是跟大家聊聊 Tomcat 的内部架构体系,让大家对 Tomcat 有个整体的认知。

前面我也说了,Tomcat 的本质其实就是一个 WEB 服务器 + 一个 Servlet 容器,那么它必然需要处理网络的连接与 Servlet 的管理,因此,Tomcat 设计了两个核心组件来实现这两个功能,分别是连接器和容器,连接器用来处理外部网络连接,容器用来处理内部 Servlet,我用一张图来表示它们的关系:

一个 Tomcat 代表一个 Server 服务器,一个 Server 服务器可以包含多个 Service 服务,Tomcat 默认的 Service 服务是 Catalina,而一个 Service 服务可以包含多个连接器,因为 Tomcat 支持多种网络协议,包括 HTTP/1.1、HTTP/2、AJP 等等,一个 Service 服务还会包括一个容器,容器外部会有一层 Engine 引擎所包裹,负责与处理连接器的请求与响应,连接器与容器之间通过 ServletRequest 和 ServletResponse 对象进行交流。

也可以从 server.xml 的配置结构可以看出 tomcat 整体的内部结构:

<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN">

  <Service name="Catalina">

    <Connector connectionTimeout="20000" port="8080" protocol="HTTP/1.1" redirectPort="8443" URIEncoding="UTF-8"/>

    <Connector port="8009" protocol="AJP/1.3" redirectPort="8443"/>

    <Engine defaultHost="localhost" name="Catalina">

      <Host appBase="webapps" autoDeploy="true" name="localhost" unpackWARs="true">

        <Context docBase="handler-api" path="/handler" reloadable="true" source="org.eclipse.jst.jee.server:handler-api"/>
      </Host>
    </Engine>
  </Service>
</Server>

连接器(Connector)

连接器负责将各种网络协议封装起来,对外部屏蔽了网络连接与 IO 处理的细节,将处理得到的 Request 对象传递给容器处理,Tomcat 将处理请求的细节封装到 ProtocolHandler,ProtocolHandler 是一个接口类型,通过实现 ProtocolHandler 来实现各种协议的处理,如 Http11AprProtocol:

ProtocolHandler 采用组件模式的设计,将处理网络连接,字节流封装成 Request 对象,再将 Request 适配成 Servlet 处理 ServletRequest 对象这几个动作,用组件封装起来了,ProtocolHandler 包括了三个组件:Endpoint、Processor、Adapter。

Endpoint 在 ProtocolHandler 实现类的构造方法中创建,如下:

public Http11AprProtocol() {
  super(new AprEndpoint());
}

Endpoint 组件用来处理底层的 Socket 网络连接,AprEndpoint 里面有个叫 SocketProcessor 的内部类,它负责为 AprEndpoint 将接收到的 Socket 请求转化成 Request 对象,SocketProcessor 实现了 Runnable 接口,它会有一个专门的线程池来处理,后面我会单独从源码的角度分析 Endpoint 组件的设计原理。

org.apache.tomcat.util.net.AprEndpoint.SocketProcessor#doRun:

// Process the request from this socket
SocketState state = getHandler().process(socketWrapper, event);

process 方法会创建一个 processor 对象,调用它的 process 方法将 Socket 字节流封装成 Request 对象,在创建 Processor 组件时,会将 Adapter 组件添加到 Processor 组件中:

org.apache.coyote.http11.AbstractHttp11Protocol#createProcessor:

protected Processor createProcessor() {
  Http11Processor processor = new Http11Processor();
  // set Adapter 组件
  processor.setAdapter(getAdapter());

  return processor;
}

而 Adapter 组件在连接器初始化时就已经创建好了:

org.apache.catalina.connector.Connector#initInternal:

// Initialize adapter
adapter = new CoyoteAdapter(this);
protocolHandler.setAdapter(adapter);

目前为止,Tomcat 只有一个 Adapter 实现类,就是 CoyoteAdapter。Adapter 的主要作用是将 Request 对象适配成容器能够识别的 Request 对象,比如 Servlet 容器,它的只能识别 ServletRequest 对象,这时候就需要 Adapter 适配器类作一层适配。

以上连接器的各个组件,我用一张图说明它们直接的关系:

容器(Container)

在 Tomcat 中一共设计了 4 种容器,它们分别为 Engine、Host、Context、Wrapper,它们的关系如下图所示:

  • Engine:表示一个虚拟主机的引擎,一个 Tomcat Server 只有一个 引擎,连接器所有的请求都交给引擎处理,而引擎则会交给相应的虚拟主机去处理请求;
  • Host:表示虚拟主机,一个容器可以有多个虚拟主机,每个主机都有对应的域名,在 Tomcat 中,一个 webapps 就代表一个虚拟主机,当然 webapps 可以配置多个;
  • Context:表示一个应用容器,一个虚拟主机可以拥有多个应用,webapps 中每个目录都代表一个 Context,每个应用可以配置多个 Servlet。

从上图可看出,各个容器组件之间的关系是由大到小,即父子关系,它们之间关系形成一个树状的结构,它们的实现类都实现了 Container 接口,它有如下方法来控制容器组件之间的关系:

public interface Container extends Lifecycle {
  Container getParent();
  void setParent(Container container);
  void addChild(Container child);
  Container findChild(String name);
  Container[] findChildren();
  void removeChild(Container child);
}

容器组件之间通过以上几个方法,即可实现它们之间的父子关系,有没有发现,Container 接口还继承了 Lifecycle 接口,它有如下方法:

public interface Lifecycle {   
  public static final String INIT_EVENT = "init";  
  public static final String START_EVENT = "start";   
  public static final String BEFORE_START_EVENT = "before_start";   
  public static final String AFTER_START_EVENT = "after_start";   
  public static final String STOP_EVENT = "stop";   
  public static final String BEFORE_STOP_EVENT = "before_stop";   
  public static final String AFTER_STOP_EVENT = "after_stop";   
  public static final String DESTROY_EVENT = "destroy";  

  public void addLifecycleListener(LifecycleListener listener);   
  public LifecycleListener[] findLifecycleListeners();   
  public void removeLifecycleListener(LifecycleListener listener);   
  public void start() throws LifecycleException;   
  public void stop() throws LifecycleException;   
}  

Tomcat 中有很多组件,组件通过实现 Lifecycle 接口,Tomcat 通过事件机制来实现对这些组件生命周期的管理。

Tomcat 的这种容器设计思想,其实是运用了组合设计模式的思想,组合设计模式最大的优点是可以自由添加节点,这样也就使得 Tomcat 的容器组件非常地容易进行扩展,符合设计模式中的开闭原则。

现在我们知道了 Tomcat 的容器组件的组合方式,那我们现在就来想一个问题:

当一个请求过来时,Tomcat 是如何识别请求并将它交给特定 Servlet 来处理呢?

从容器的组合关系可以看出,它们调用顺序必定是:

Engine -> Host -> Context -> Wrapper -> Servlet

那么 Tomcat 是如何来定位 Servlet 的呢?答案是利用 Mapper 组件来完成定位的工作。

Mapper 最主要的核心功能是保存容器组件之间访问路径的映射关系,它是如何做到这点的呢?

我们不妨先从源码入手:

org.apache.catalina.core.StandardService:

protected final Mapper mapper = new Mapper();
protected final MapperListener mapperListener = new MapperListener(this);

Service 实现类中,已经初始化了 Mapper 组件以及它的监听类 MapperListener,这里先说明一下,在 Tomcat 组件中,标准的实现组件类前缀会有 Standard,比如:

org.apache.catalina.core.StandardServer
org.apache.catalina.core.StandardService
org.apache.catalina.core.StandardEngine
org.apache.catalina.core.StandardHost
org.apache.catalina.core.StandardContext
org.apache.catalina.core.StandardWrapperz

在 Service 服务启动的时候,会调用 MapperListener.start() 方法,最终会执行 MapperListener 的 startInternal 方法:

org.apache.catalina.mapper.MapperListener#startInternal:

Container[] conHosts = engine.findChildren();
for (Container conHost : conHosts) {
  Host host = (Host) conHost;
  if (!LifecycleState.NEW.equals(host.getState())) {
    // Registering the host will register the context and wrappers
    registerHost(host);
  }
}

该方法会注册新的虚拟主机,接着 registerHost() 方法会注册 context,以此类推,从而将容器组件直接的访问的路径都注册到 Mapper 中。

定位 Servlet 的流程图:


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