初探Tomcat的架构设计

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Tomcat 作为 servlet 容器实现，它是基于 Java 语言开发的轻量级应用服务器。因为 Tomcat 作为应用服务器，它有着完全开源，轻量，性能稳定，部署成本低等优点，所以它成为目前 Java 开发应用部署的首选，几乎每个Java Web开发者都有使用过，但是，你对 Tomcat 的整体设计有进行过了解和思考吗？

本文将基于 Tomcat8 进行分析，具体版本为 Tomcat8 当前官网最新修改(2019-11-21 09:28)的版本 v8.5.49

总体结构

Tomcat 的总体结构中有很多模块，下图列出我们将要进行分析结构中的主要模块。其中主要分析的是Service，Connector，Engine，Host，Context，Wrapper。为避免图层看着太乱，下图中n代表该组件可允许存在多个。

如上图所描述的是：Server 是 tomcat 服务器，在 Server 中可以存在多个服务 Service 。每个服务中可有多个连接器和一个 Servlet 引擎 Engine，一个 Service 中多个连接器对应一个 Engine。 每个 Engine 中，可存在多个域名，这里可用虚拟主机的概念来表示 Host。每个 Host 中可以存在多个应用 Context。
Server，Service，Connector，Engine，Host，Context，Wrapper 它们之间的关系，除了Connector和Engine，它们是平行关系，其它的都是存在包含关系。同时，它们也都继承了 Lifecycle 接口，该接口提供的是生命周期的管理，里面包括：**初始化（init），启动（start），停止(stop)，销毁(destroy)**。当它的父容器启动时，会调用它子容器的启动，停止也是一样的。

上图中，还可以看到，Engine，Host，Context，Wrapper 都继承自 Container。它有个backgroundProcess()方法，后台异步处理，所以继承它后可以方便的创建异步线程。
在 Tomcat7 中，有看到 Service 持有的是 Container，而不是 Engine。估计这也是为什么在当前版本中添加 Engine 方法名叫setContainer。

Server

Tomcat 源码中有提供org.apache.catalina.Server接口，对应的默认实现类为org.apache.catalina.core.StandardServer，接口里面提供有如下图方法。

上图中可以知道 Server 做的工作：对 Service，Address，Port，Catalina 以及全局命名资源的管理操作。
Server 在进行初始化的时候，会加载我们 server.xml 中配置的数据。

这里对其中的 Service 操作的addService向定义的服务集添加新服务进行分析：

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// 保存服务的服务集
private Service services[] = new Service[0];

final PropertyChangeSupport support = new PropertyChangeSupport(this);

@Override
public void addService(Service service) {
    // 相互关联
    service.setServer(this);
    
    // 利用同步锁，防止并发访问   来源：https://ytao.top
    synchronized (servicesLock) {
        Service results[] = new Service[services.length + 1];
        // copy 旧的服务到新的数组中
        System.arraycopy(services, 0, results, 0, services.length);
        // 添加新的 service
        results[services.length] = service;
        services = results;
    
        // 如果当前 server 已经启动，那么当前添加的 service 就开始启动
        if (getState().isAvailable()) {
            try {
                service.start();
            } catch (LifecycleException e) {
                // Ignore
            }
        }
        
        // 使用观察者模式，当被监听对象属性值发生变化时通知监听器，remove 是也会调用。
        support.firePropertyChange("service", null, service);
    }

}

源码中可以看到，向服务器中添加服务后，随机会启动服务，实则也服务启动入口。

Service

Service 的主要职责就是将 Connector 和 Engine 的组装在一起。两者分开的目的也就是使请求监听和请求处理进行解耦，能拥有更好的扩展性。每个 Service 都是相互独立的，但是共享一个JVM和系统类库。这里提供了org.apache.catalina.Service接口和默认实现类org.apache.catalina.coreStandardService。

在实现类 StandardService 中，主要分析setContainer和addConnector两个方法。

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private Engine engine = null;

protected final MapperListener mapperListener = new MapperListener(this);

@Override
public void setContainer(Engine engine) {
    Engine oldEngine = this.engine;
    // 判断当前 Service 是否有关联 Engine
    if (oldEngine != null) {
        // 如果当前 Service 有关联 Engine，就去掉当前关联的 Engine
        oldEngine.setService(null);
    }
    // 如果当前新的 Engine 不为空，那么 Engine 关联当前 Service，这里是个双向关联
    this.engine = engine;
    if (this.engine != null) {
        this.engine.setService(this);
    }
    // 如果当前 Service 启动了，那么就开始启动当前新的 Engine
    if (getState().isAvailable()) {
        if (this.engine != null) {
            try {
                this.engine.start();
            } catch (LifecycleException e) {
                log.error(sm.getString("standardService.engine.startFailed"), e);
            }
        }
        // 重启 MapperListener ，获取一个新的 Engine ，一定是当前入参的 Engine
        try {
            mapperListener.stop();
        } catch (LifecycleException e) {
            log.error(sm.getString("standardService.mapperListener.stopFailed"), e);
        }
        try {
            mapperListener.start();
        } catch (LifecycleException e) {
            log.error(sm.getString("standardService.mapperListener.startFailed"), e);
        }

        // 如果当前 Service 之前有 Engine 关联，那么停止之前的 Engine
        if (oldEngine != null) {
            try {
                oldEngine.stop();
            } catch (LifecycleException e) {
                log.error(sm.getString("standardService.engine.stopFailed"), e);
            }
        }
    }

    // Report this property change to interested listeners
    support.firePropertyChange("container", oldEngine, this.engine);
}

/**
* 实现方式和 StandardServer#addService 类似，不在细述
* 注意，Connector 这里没有像 Engine 一样与 Service 实现双向关联
*/
@Override
public void addConnector(Connector connector) {

    synchronized (connectorsLock) {
        connector.setService(this);
        Connector results[] = new Connector[connectors.length + 1];
        System.arraycopy(connectors, 0, results, 0, connectors.length);
        results[connectors.length] = connector;
        connectors = results;

        if (getState().isAvailable()) {
            try {
                connector.start();
            } catch (LifecycleException e) {
                log.error(sm.getString(
                        "standardService.connector.startFailed",
                        connector), e);
            }
        }

        // Report this property change to interested listeners
        support.firePropertyChange("connector", null, connector);
    }

}

Connector

Connector 主要用于接收请求，然后交给 Engine 处理请求，处理完后再给 Connector 去返回给客户端。当前使用版本支持的协议有：HTTP，HHTP/2，AJP，NIO，NIO2，APR
主要的功能包括：

  • 监听服务器端口来读取客户端的请求。
  • 解析协议并交给对应的容器处理请求。
  • 返回处理后的信息给客户端

Connector 对应服务器 server.xml 中配置信息的例子：

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<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
               connectionTimeout="20000"
               redirectPort="8443" />

这里通过配置监听的端口号port，指定处理协议protocol，以及重定向地址redirectPort。
协议处理类型通过实例化连接器时设置：

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public Connector() {
    // 无参构造，下面 setProtocol 中默认使用HTTP/1.1
    this(null);
}

public Connector(String protocol) {
    // 设置当前连接器协议处理类型
    setProtocol(protocol);
    // 实例化协议处理器，并保存到当前 Connector 中
    ProtocolHandler p = null;
    try {
        Class<?> clazz = Class.forName(protocolHandlerClassName);
        p = (ProtocolHandler) clazz.getConstructor().newInstance();
    } catch (Exception e) {
        log.error(sm.getString(
                "coyoteConnector.protocolHandlerInstantiationFailed"), e);
    } finally {
        this.protocolHandler = p;
    }

    if (Globals.STRICT_SERVLET_COMPLIANCE) {
        uriCharset = StandardCharsets.ISO_8859_1;
    } else {
        uriCharset = StandardCharsets.UTF_8;
    }
}

/**
* 这个设置再 tomcat9 中被移除，改为必配项
*/
public void setProtocol(String protocol) {

    boolean aprConnector = AprLifecycleListener.isAprAvailable() &&
            AprLifecycleListener.getUseAprConnector();

    // 这里指定了默认协议和 HTTP/1.1 一样
    if ("HTTP/1.1".equals(protocol) || protocol == null) {
        if (aprConnector) {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol");
        } else {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol");
        }
    } else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) {
        if (aprConnector) {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol");
        } else {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.ajp.AjpNioProtocol");
        }
    } else {
        // 最后如果不是通过指定 HTTP/1.1，AJP/1.3 类型的协议，就通过类名实例化一个协议处理器
        setProtocolHandlerClassName(protocol);
    }
}

ProtocolHandler 是一个协议处理器，针对不同的请求，提供不同实现。实现类 AbstractProtocol 在初始化时，会在最后调用一个抽象类 AbstractEndpoint 初始化来启动线程来监听服务器端口，当接收到请求后，调用 Processor 读取请求，然后交给 Engine 处理请求。

Engine

Engine 对应的是，org.apache.catalina.Engine接口和org.apache.catalina.core.StandardEngine默认实现类。
Engine 的功能也比较简单，处理容器关系的关联。

但是实现类中的addChild()不是指的子 Engine，而是只能是 Host。同时没有父容器，setParent是不允许操作设置的。

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@Override
public void addChild(Container child) {
    // 添加的子容器必须是 Host 
    if (!(child instanceof Host))
        throw new IllegalArgumentException
            (sm.getString("standardEngine.notHost"));
    super.addChild(child);
}

@Override
public void setParent(Container container) {

    throw new IllegalArgumentException
        (sm.getString("standardEngine.notParent"));

}

server.xml 可以配置我们的数据：

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<!-- 配置默认Host，及jvmRoute -->
<Engine name="Catalina" defaultHost="localhost" jvmRoute="jvm1">

Host

Host 表示一个虚拟主机。应为我们的服务器可设置多个域名，比如 demo.ytao.top，dev.ytao.top。那么我们就要设置两个不同 Host 来处理不同域名的请求。当过来的请求域名为 demo.ytao.top 时，那么它就会去找该域名 Host 下的 Context。
所以我们的 server.xml 配置文件也提供该配置：

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<!-- name 设置的时虚拟主机域名 -->
<Host name="localhost"  appBase="webapps"
            unpackWARs="true" autoDeploy="true">

Context

到 Context 这里来，就拥有 Servlet 的运行环境，Engine，Host都是主要维护容器关系，不具备运行环境。
我们暂且可将 Context 理解为一个应用，例如我们在根目录下有 ytao-demo-1 和 ytao-demo-2 两个应用，那么这里就是有两个 Context。
这里主要介绍的addChild方法，该添加的子容器是 Wrapper:

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@Override
public void addChild(Container child) {

    // Global JspServlet
    Wrapper oldJspServlet = null;

    // 这里添加的子容器只能时 Wrapper
    if (!(child instanceof Wrapper)) {
        throw new IllegalArgumentException
            (sm.getString("standardContext.notWrapper"));
    }

    // 判断子容器 Wrapper 是否为 JspServlet
    boolean isJspServlet = "jsp".equals(child.getName());

    // Allow webapp to override JspServlet inherited from global web.xml.
    if (isJspServlet) {
        oldJspServlet = (Wrapper) findChild("jsp");
        if (oldJspServlet != null) {
            removeChild(oldJspServlet);
        }
    }

    super.addChild(child);

    // 将servlet映射添加到Context组件
    if (isJspServlet && oldJspServlet != null) {
        /*
         * The webapp-specific JspServlet inherits all the mappings
         * specified in the global web.xml, and may add additional ones.
         */
        String[] jspMappings = oldJspServlet.findMappings();
        for (int i=0; jspMappings!=null && i<jspMappings.length; i++) {
            addServletMappingDecoded(jspMappings[i], child.getName());
        }
    }
}

这里也就是每个应用中的 Servlet 管理中心。

Wrapper

Wrapper 是一个 Servlet 的管理中心，它拥有 Servlet 的整个生命周期，它是没有子容器的，因为它自己就是最底层的容器了。
这里主要对 Servlet 加载的分析：

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public synchronized Servlet loadServlet() throws ServletException {

    // 如果已经实例化或者用实例化池，就直接返回
    if (!singleThreadModel && (instance != null))
        return instance;

    PrintStream out = System.out;
    if (swallowOutput) {
        SystemLogHandler.startCapture();
    }

    Servlet servlet;
    try {
        long t1=System.currentTimeMillis();
        // 如果 servlet 类名为空，直接抛出 Servlet 异常
        if (servletClass == null) {
            unavailable(null);
            throw new ServletException
                (sm.getString("standardWrapper.notClass", getName()));
        }

        // 从 Context 中获取 Servlet
        InstanceManager instanceManager = ((StandardContext)getParent()).getInstanceManager();
        try {
            servlet = (Servlet) instanceManager.newInstance(servletClass);
        } catch (ClassCastException e) {
            unavailable(null);
            // Restore the context ClassLoader
            throw new ServletException
                (sm.getString("standardWrapper.notServlet", servletClass), e);
        } catch (Throwable e) {
            e = ExceptionUtils.unwrapInvocationTargetException(e);
            ExceptionUtils.handleThrowable(e);
            unavailable(null);

            // Added extra log statement for Bugzilla 36630:
            // https://bz.apache.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=36630
            if(log.isDebugEnabled()) {
                log.debug(sm.getString("standardWrapper.instantiate", servletClass), e);
            }

            // Restore the context ClassLoader
            throw new ServletException
                (sm.getString("standardWrapper.instantiate", servletClass), e);
        }

        // 加载声明了 MultipartConfig 注解的信息
        if (multipartConfigElement == null) {
            MultipartConfig annotation =
                    servlet.getClass().getAnnotation(MultipartConfig.class);
            if (annotation != null) {
                multipartConfigElement =
                        new MultipartConfigElement(annotation);
            }
        }

        // 对 servlet 类型进行检查
        if (servlet instanceof ContainerServlet) {
            ((ContainerServlet) servlet).setWrapper(this);
        }

        classLoadTime=(int) (System.currentTimeMillis() -t1);

        if (servlet instanceof SingleThreadModel) {
            if (instancePool == null) {
                instancePool = new Stack<>();
            }
            singleThreadModel = true;
        }

        // 初始化 servlet
        initServlet(servlet);

        fireContainerEvent("load", this);

        loadTime=System.currentTimeMillis() -t1;
    } finally {
        if (swallowOutput) {
            String log = SystemLogHandler.stopCapture();
            if (log != null && log.length() > 0) {
                if (getServletContext() != null) {
                    getServletContext().log(log);
                } else {
                    out.println(log);
                }
            }
        }
    }
    return servlet;

}

这里加载 Servlet，如果该 Servlet 没有被实例化过，那么一定要加载一个。

到目前为止，大致介绍了 Tomcat8 的主要组件，对 Tomcat 的整体架构也有个大致了解了，Tomcat 源码进行重构后，可读性确实要好很多，建议大家可以去尝试分析下，里面的使用的一些设计模式，我们在实际编码过程中，还是有一定的借鉴意义。

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