深入理解Tomcat架構
Tomcat對於web開發人員來說再熟悉不過了，它是由Apache開發的一個免費開源的Web應用伺服器。在Web開發時，經常用它構建輕量級的Java Web服務。想要簡單的使用Tomcat是非常容易的，但是想要深入瞭解Tomcat體系必須要了解它背後的架構設計。
本篇文章對《Tomcat核心設計剖析》這本書的閱讀總結，大概的梳理了一下Tomcat的架構設計、模組組成。
其實從Tomcat配置檔案Server.xml的格式就能看出它的結構。
<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
<Server>
<Listener 
Server元件
Server元件代表整個Tomcat容器，是Tomcat最外層的元件，它包括三個部分：生命週期監聽器，全域性命名資源，Service元件
1.生命週期監聽器
由於Tomcat是龐大而複雜的，並且它擁有很多元件，如果這些元件一個一個單獨啟動時非常麻煩的，而且容易遺漏，不易擴充套件其他元件。所以Tomcat提供了監聽器方案，在其生命週期的不同階段呼叫監聽器，如果某個元件對於某事件感興趣，只需要實現介面即可
2.全域性命名資源
對應Server.xml配置檔案的節點就是<GlobalNamingResource>,在Tomcat初始化時通過Digester框架將其解析成物件，並以樹狀結構儲存，它提供的命名物件通過ResourceLink給所有Web應用訪問使用。如：JNDI中儲存資料庫連線池物件。
3.監聽關閉命令
Server元件會開放一個埠用於監聽命令，預設為8005.當Tomcat介面收到“SHUTDOWN”命令時則會關閉程式。
Service元件
Server元件中可以包含多個Service元件，Service元件也是Tomcat最外層的元件之一。包含若干Connector元件和Executor元件組合而成，其中不同的Connector元件可以使用不用的通訊協議，如：HTTP，AJP。
Executor元件則是Service元件下的執行緒池，Connector元件可以通過Executor元件實現執行緒池共享，預設情況下使用自己的私有執行緒池，其他元件也可以使用。此外，Service元件還包含了一個非常重要的Engine元件，Connector元件負責接收客戶端訊息，而Engine元件則負責處理客戶端訊息。
Connector元件
Connector主要職責就是接收客戶端連線並接收報文，將其解析後裔送給Engine處理。它的元件包括：Protocol元件，Mapper元件，CoyoteAdaptor元件。
Protocol是協議的抽象，它有不同的實現，每一個實現對應一種通訊協議，其中包括的Endpoint是接收端的抽象，分為Acceptor專門接收客戶端連線的接收器元件和Executor執行緒池元件，Processor元件是對客戶端請求處理的抽象。
Mapper是路由元件，它可以將請求分發到對應的Web應用的某個Servlet上。
而CoyoteAdaptor組價是一個介面卡，它負責將Connector元件和Engine容器適配連線起來。
以Http協議來說：
Protocol元件的HTTP例項則是Http11Protocol和HttpNIOProtocol。由IO模式的不同，可以分為阻塞模式和非阻塞模式
1.HTTP阻塞模式協議
HttpProtocol表示阻塞式的HTTP協議通訊，由傳統Socket套接字為底層實現，它包含JIoEndpoint和Http11Processor元件
- JIoEndpoint
ServerSocketFactory根據不同的安全層次如HTTP，HTTPS建立ServerSocket物件供Acceptor使用。 連線數控制器（LimitLatch）對連線數進行計數，來一個請求加一，請求結束後減一。請求數過多時就阻塞請求或拒絕處理。 Socket接收器（Acceptor），監聽某個埠，當有連線時就將任務丟給任務執行器。 任務定義器（SocketProcessor），定義好任務處理的統一流程抽象，如:
{
處理套接字輸出的響應報文；
連線數計數器減一；
關閉套接字；
}
複製程式碼任務執行器（Executor），維護一個任務佇列，不斷從任務佇列中取得任務，執行任務定義器定義好的任務。
- HTTP阻塞處理器（Http11Processor） Http11Processor提供了對Http協議的通訊處理，將接收到的報文解析成我們熟知的請求物件，Request和Response，提供一個門面物件供Web應用使用。
2.Http非阻塞模式協議
Http11NIOProtocol表示非阻塞模式Http協議的通訊，它主要包含NioEndpoint元件和Http11NioProcessor元件。一個連線到來時，將被註冊到NioChannel佇列中，由Poller負責檢測通道的讀寫事件，並在建立任務後扔進執行緒池中。
BIO模式在接收到一個請求時，將開啟一個執行緒處理該請求，此時一個執行緒只能處理一個請求，並且請求並不是like傳送資料，由於網路或業務的一些原因，服務端並不能立刻接收到資料進行處理，而在等待資料準備的過程中造成了資源浪費。
NIO模式克服了這種弊端，它能基於時間在一個執行緒中同時維護大量連線，它將套接字工作交給一個執行緒，讀寫交給其他N個執行緒，在接收請求後，它將請求放入Channel佇列中，用輪詢器不斷檢測通道讀寫事件，如果資料準備好了，可讀後，則將該連線交由連線池讀寫處理。
NIO模式，對資料的操作讀寫，即呼叫基礎的IO操作API依然是阻塞的，只有對網路IO才是非阻塞的，在等待資料時是非阻塞的。
同步非阻塞：同步時對IO來說，非阻塞是處理方式。
Engine容器
Engine即為全域性引擎容器，它的標準實現為StandardEngine。其中主要包括元件有Host、AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm、LifecycleListener、Log元件。
AccessLog、Log元件，日誌框架
Tomcat提供了統一的日誌介面Log，並提供了國際化元件，在每個Java包下面都會存在LocalStrings.properties的不同語言版本。並且以Java包為單位劃分範圍，每個類如果需要查詢訊息都到對應的java包下的properties檔案中查詢。
還設計了客戶端訪問日誌記錄介面，並提供了不同的實現，對持久化方式的不同有FileAccessLog，JDBCAccessLog等，還可以自己實現訪問日誌元件。
Pipeline（管道與閥門）
在複雜的大型系統中，存在某個物件或資料流需要進行繁雜的邏輯處理，可以採用管道模式，劃分出每個小模組互相獨立且各自負責一段邏輯處理。
如Request、Response就是這種需要進行繁複加工處理的物件，採用管道在其中設定閥門處理邏輯。在Tomcat中有4個級別的容器分別是 Engine、Host、Context、Wrapper。請求物件將分別由這4個容器處理，在4個容器之間通過管道機制進行傳遞，請求物件先通過Engine管道，經由若干個閥門處理，最後由基礎閥門處理流轉到下一級通道，每一級管道都有一個基礎閥門。
Cluster（叢集）元件
Tomcat提供了叢集功能，可以快速的佈置Web叢集應用，而叢集之間的一些通訊則由Cluster元件完成。Cluster元件主要功能是提供會話複製，上下文屬性複製和在叢集下的web應用部署，並且Cluster元件可分為兩個級別Engine和Host。
在Cluster元件內部真正負責叢集間通訊的是Tribes元件，它維護著一個叢集記憶體活主機列表，當Cluster呼叫傳送訊息介面時，由Tribes元件將訊息傳送到叢集中的其他主機上。
Realm元件
Realm域其實可以看成一個包含了使用者及密碼的資料庫，根據使用者角色的不同，限制使用者訪問應用的url或資源資訊。Realm域是為了統一web容器資源安全、管理，統一抽象重複認證工作方便web應用資源許可權管理開發而提供的一個概念，它支援Engine、Host、Context級別容器的共享。
LifecycleListener
LifecycleListener即是容器生命週期狀態監聽器。
Host元件
Host元件是Servlet引擎中虛擬主機的抽象，Engine中可以包含多個Host容器，而一個Host容器也可以包含若干個Context容器，Host容器包括的元件有Context容器、AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm、HostConfig、Log元件
1.HostConfig
Host作為虛擬主機容器，用於放置Context級別容器，而Context其實對應的就是web應用，每個Tomcat應用都有自己的配置，當Tomcat啟動時，必須把對應web屬性載入進Context中，如果在Tomcat啟動時載入配置，這樣對Context的配置修改不會立刻生效，必須重啟Tomcat。所以Tomcat採用監聽器的方式，當Tomcat啟動時觸發“START_EVENT”事件時執行web應用部署動作。
Context容器
Context容器對應一個Web應用程式，它包含若干個Wrapper元件、Realm、AccessLog、ErrorPage、Manager、DirContext、安全認證元件、JarScanner、過濾器、NamingResource、Mapper、Pipeline、WebAppLoader、ApplicationContext、InstanceManager、ServletContainerInitializer和Listeners元件。
- AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm，已經介紹過。
- ErrorPage（錯誤頁面）：每個Context容器都擁有各自的錯誤頁面物件，它可以在Context標籤下進行配置。
- Manager（會話管理器）：用於Context容器下的會話管理，提供不同的實現，有基於記憶體的，基於檔案的持久化，基於JDBC等實現方案，此外針對叢集，還提供了叢集會話管理器，可以在叢集中同步共享會話。
- DirContext（目錄上下文）：屬於JNDI的標準介面，目的是採用一種簡單的方式訪問整個Web應用包含的檔案，由於web應用檔案格式不同提供了WARDirContext、FileDirContext兩種實現。
- JarScanner：顧名思義，它是專門用於掃描Context對於的Web應用的jar包。
- 過濾器：在web開發中，過濾器是經常使用的元件之一，它提供了為某個web應用的所有請求和響應做統一處理的功能。
Wrapper容器
Wrapper容器對應的就是Servlet，它內部維持了一個Servlet物件或者一個Servlet物件池。一般來說一個Wrapper只有一個Servlet物件，所以所有處理執行緒都呼叫同一個Servlet物件，但某個Servlet實現了SingleThreadModel介面也允許多個物件存在。
request，response物件由Context基礎閥門流轉到Wrapper容器管道後，經過Wrapper管道的多個閥門，最後進入基礎閥門，基礎閥門呼叫過濾鏈，最後呼叫Servlet介面的service方法,對於HttpServlet實現來說，在呼叫service方法後，HttpServlet在service方法內部對Method進行判斷，分別呼叫doGet、doPost等不同方法。
類載入器
容器最重要的是對於資源的隔離，Tomcat採用自定義的類載入器完成了資源的隔離解決了以下四個問題：
- 同一個Web伺服器內，各web專案之間的java類庫相互隔離
- 同一個web伺服器內，各web專案可以共享java類庫
- 伺服器不能收web專案影響，所以伺服器類庫應該與應用程式隔離
- 支援熱過載
使用java類載入器可以動態載入需要的類，沒有使用到的類不需要載入，可以節省程式執行記憶體。在java中我們用完全匹配類名來標識一個類，而在JVM中由完全匹配類名和一個類載入器的例項Id作為唯一標識。也就是說，同一個虛擬機器器可以有兩個包名、類名都相同的類，只要它們由兩個不同的類載入器載入。這種特徵為我們提供了隔離機制，只要對不同的web專案用不同的類載入器載入jar包就可以隔離開資源類庫。而在熱過載的時候，只需要重新建立一個類載入器替換舊的類載入器，而原來的類載入器會被gc回收，就可以不用重啟Tomcat而重新載入了web應用程式。
Jasper
Jasper就是JSP解析引擎，Tomcat使用Jasper解析Jsp檔案，將之轉化成繼承HttpJspBase的類檔案，然後用Eclipse JDT java編譯器或Ant編譯器將java檔案編譯成位元組碼檔案，最後採用類載入器載入位元組碼檔案。這也是為什麼Tomcat第一次訪問jsp檔案比較慢的原因，它需要將jsp編譯成位元組碼檔案載入執行，在第一次載入完成後，Tomcat將它快取下來下次就可以直接使用，並且Tomcat會在後臺執行緒不斷檢測Jsp檔案與編譯後的位元組碼檔案的最後修改時間是否相同，如果不相同，則表示jsp檔案有改動，則需要重新編譯。
總結
Tomcat是一個十分龐大的專案，其中涉及到方方面面的知識，我根據《Tomcat核心設計剖析》這本書的介紹從巨集觀上了解了Tomcat的總體設計，依然某些方面理解起來十分吃力，對於Tomcat架構的細節方面依然需要時間慢慢體會，深入挖掘。本文也是比較淺顯的做了一下讀書筆記，如果其中有些地方我理解錯誤，歡迎評論指出。
大概回想了一下，關於Tomcat架構主要就是圍繞Connector和Container元件，一個是接收器，一個是處理容器，而Container元件在Tomcat中沒有顯示標明，它其實就是Engine容器。通過接收器監聽埠連線，當有請求到來時，接收器將獲取請求讀取請求報文解析成Request、Response物件，之後交給Engine引擎進行處理，經過一層層處理後，接收器再將Response物件解析成響應報文返回給客戶端。