Tomcat 系統架構與原理剖析

Tomcat 系統總體架構

Tomcat 的兩重身份：

• Http 伺服器
  • 能夠接收並且處理 http 請求
• Servlet 容器
  • Servlet 介面和 Servlet 容器這⼀整套內容叫作 Servlet 規範
  • Tomcat 實現了 Servlet 規範

Tomcat Servlet容器處理流程

當用戶請求某個URL資源時

1. HTTP 伺服器會把請求資訊使用 ServletRequest 物件封裝起來
2. 進一步去呼叫 Servlet 容器中某個具體的 Servlet
3. 在 2）中， Servlet 容器拿到請求後，根據 URL 和 Servlet 的對映關係，找到相應的 Servlet
4. 如果 Servlet 還沒有被載入，就用反射機制建立這個 Servlet ，並呼叫 Servlet 的 init 方法來完成初始化
5. 接著呼叫這個具體 Servlet 的 service 方法來處理請求，請求處理結果使用 ServletResponse 物件封裝
6. 把 ServletResponse 物件返回給 HTTP 伺服器， HTTP 伺服器會把響應傳送給客戶端

Tomcat 系統總體架構

Tomcat 設計了兩個核心元件聯結器（ Connector ） 和容器（ Container ） 來完成 Tomcat 的兩大核心功能。

• 聯結器（Coyote），負責對外交流： 處理 Socket 連線，負責網路位元組流與 Request 和 Response 物件的轉化；
• 容器（Catalina），負責內部處理： 載入和管理 Servlet ，以及具體處理 Request 請求；

Tomcat 聯結器元件 Coyote

TCP/IP五層協議

• 應用層： HTTP （超文字傳輸協議）， HTTPS （更安全的超文字傳輸協議）， FTP （檔案傳輸協議）， SMTP （簡單郵件傳輸協議）， DNS （域名服務）， ping 命令（除錯網路環境）， OSPF （開放最短路徑優先）；
• 傳輸層： UDP （使用者資料報協議）， TCP （傳輸控制協議）；
• 網路層： IP （因特網協議）， ICMP （控制報文協議）， ARP （地址解析協議）， RARP （反向地址轉換協議）；

聯結器 Coyote

• Coyote 是 Tomcat 中聯結器的元件名稱 ， 是對外的介面。客戶端通過 Coyote 與伺服器建立連線、傳送請求並接受響應

• Coyote 封裝了底層的網路通訊（ Socket 請求及響應處理）

• Coyote 使 Catalina 容器（容器元件）與具體的請求協議及 IO 操作方式完全解耦

• Coyote 將 Socket 輸入轉換封裝為 Request 物件，進一步封裝後交由 Catalina 容器進行處理，處理請求完成後， Catalina 通過 Coyote 提供的 Response 物件將結果寫入輸出流

• Coyote 負責的是具體協議（應用層）和 IO （傳輸層）相關內容

Tomcat Coyote 支援的 IO 模型與協議：

• 在 8.0 之前 ， Tomcat 預設採用的 I/O 方式為 BIO ，之後改為 NIO 。
• 論 NIO 、 NIO2 還是 APR ， 在效能方面均優於以往的 BIO 。 如果採用 APR ， 甚至可以達到 Apache HTTP Server 的影響效能。

Coyote 的內部元件及流程

Tomcat Servlet 容器 Catalina

• Tomcat 是⼀個由一系列可配置（conf/server.xml）的元件構成的 Web 容器，而 Catalina 是 Tomcat 的
  servlet 容器。
• Catalina 是 Tomcat 的核心 ， 其他模組都是為 Catalina 提供支撐的
• Tomcat 就是一個 Catalina 的例項

Catalina 在容器中的地位：

Catalina 的結構：

• 可以認為整個 Tomcat 就是一個 Catalina 例項， Tomcat 啟動的時候會初始化這個例項， Catalina 例項通過載入 server.xml 完成其他例項的建立，建立並管理一個 Server ， Server 建立並管理多個服務，每個服務又可以有多個 Connector 和一個 Container 。

  • 一個 Catalina 例項（容器）
  • 一個 Server 例項（容器）
  • 多個 Service 例項（容器）
  • 每一個 Service 例項下可以有多個 Connector 例項和一個 Container 例項

• Catalina

  負責解析 Tomcat 的配置檔案（ server.xml ） ， 以此來建立伺服器 Server 元件並進行管理

• Server

  伺服器表示整個 Catalina Servlet 容器以及其它元件，負責組裝並啟動 Servlet 引擎， Tomcat 聯結器。Server 通過實現 Lifecycle 介面，提供了一種優雅的啟動和關閉整個系統的方式

• Service

  服務是 Server 內部的元件，一個 Server 包含多個 Service 。它將若干個 Connector 元件繫結到一個 Container

• Container

  容器，負責處理使用者的 servlet 請求，並返回物件給 web 使用者的模組

Container 元件的具體結構

Container 元件下有幾種具體的元件，分別是 Engine 、 Host 、 Context 和 Wrapper 。這 4 種元件（容器）是父子關係。 Tomcat 通過一種分層的架構，使得 Servlet 容器具有很好的靈活性。元件的配置其實就體現在conf/server.xml 中。

• Engine

  表示整個 Catalina 的 Servlet 引擎，用來管理多個虛擬站點，一個 Service 最多隻能有一個 Engine ，但是一個引擎可包含多個 Host

• Host

  代表一個虛擬主機，或者說一個站點，可以給 Tomcat 配置多個虛擬主機地址，而一個虛擬主機下可包含多個 Context

• Context

  表示一個 Web 應用程式， 一個 Web 應用可包含多個 Wrapper

• Wrapper

  表示一個 Servlet ， Wrapper 作為容器中的最底層，不能包含子容器

Tomcat 伺服器核心配置詳解

• 配置檔案 conf/server.xml
• Server ：Server 例項
  • Listener ：監聽器
  • GlobalNamingResources ：定義伺服器的全域性 JNDI 資源
  • Service ：服務
    • Listener 生命週期監聽器
    • Executor 共享執行緒池
    • Connector 連結器
      • URIEncoding ：用於指定編碼 URI 的字元編碼， Tomcat8.x 版本預設的編碼為 UTF-8 , Tomcat7.x 版本預設為 ISO-8859-1
    • Engine 容器引擎
      • Host 虛擬主機
      • Context 用於配置⼀個 Web 應用

手寫實現迷你版 Tomcat

略

Tomcat 原始碼構建及核心流程原始碼剖析

原始碼構建

以 Win64 位，apache-tomcat-8.5.50-src 為例：

1. 下載原始碼，解壓後，將原始碼匯入 IDEA

2. 新建 source 目錄，將 conf 和 webapps 目錄移動到 source 目錄下

3. 在專案根目錄下新建 pom.xml

   <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
   <project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
            xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
            xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0
   http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
       <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
       <groupId>org.apache.tomcat</groupId>
       <artifactId>apache-tomcat-8.5.50-src</artifactId>
       <name>Tomcat8.5</name>
       <version>8.5</version>
       <build>
           <!--指定源⽬錄-->
           <finalName>Tomcat8.5</finalName>
           <sourceDirectory>java</sourceDirectory>
           <resources>
               <resource>
                   <directory>java</directory>
               </resource>
           </resources>
           <plugins>
               <!--引⼊編譯外掛-->
               <plugin>
                   <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                   <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                   <version>3.1</version>
                   <configuration>
                       <encoding>UTF-8</encoding>
                       <source>8</source>
                       <target>8</target>
                   </configuration>
               </plugin>
           </plugins>
       </build>
       <!--tomcat 依賴的基礎包-->
       <dependencies>
           <dependency>
               <groupId>org.easymock</groupId>
               <artifactId>easymock</artifactId>
               <version>3.4</version>
           </dependency>
           <dependency>
               <groupId>ant</groupId>
               <artifactId>ant</artifactId>
               <version>1.7.0</version>
           </dependency>
           <dependency>
               <groupId>wsdl4j</groupId>
               <artifactId>wsdl4j</artifactId>
               <version>1.6.2</version>
           </dependency>
           <dependency>
               <groupId>javax.xml</groupId>
               <artifactId>jaxrpc</artifactId>
               <version>1.1</version>
           </dependency>
           <dependency>
               <groupId>org.eclipse.jdt.core.compiler</groupId>
               <artifactId>ecj</artifactId>
               <version>4.5.1</version>
           </dependency>
           <dependency>
               <groupId>javax.xml.soap</groupId>
               <artifactId>javax.xml.soap-api</artifactId>
               <version>1.4.0</version>
           </dependency>
       </dependencies>
   </project>
   

4. 為啟動類 Bootstrap 新增 VM Options

   -Dcatalina.home=E:\Develop\workspace\LaGou\apache-tomcat-8.5.50-src\source
   -Dcatalina.base=E:\Develop\workspace\LaGou\apache-tomcat-8.5.50-src\source
   -Djava.util.logging.manager=org.apache.juli.ClassLoaderLogManager
   -Djava.util.logging.config.file=E:\Develop\workspace\LaGou\apache-tomcat-8.5.50-src\source\conf\logging.properties
   

5. 增加程式碼，org.apache.catalina.startup.ContextConfig#configureStart 內

   webConfig();
   
   // 增加程式碼，初始化 jasper 引擎
   context.addServletContainerInitializer(new JasperInitializer(), null);
   

6. 解決日誌中文亂碼問題

   1. org.apache.jasper.compiler.Localizer#getMessage(java.lang.String)
   	errMsg = new String(errMsg.getBytes("ISO-8859-1"), "UTF8");
   
   2. org.apache.tomcat.util.res.StringManager#getString(java.lang.String)
   	str = new String(str.getBytes("ISO-8859-1"), "UTF8");
   

參考資料

• 拉勾教育
• Tomcat 官網
• TCP/IP五層協議