深入理解Tomcat架构

Tomcat对于web开发人员来说再熟悉不过了，它是由Apache开发的一个免费开源的Web应用服务器。在Web开发时，经常用它构建轻量级的Java Web服务。想要简单的使用Tomcat是非常容易的，但是想要深入了解Tomcat体系必须要了解它背后的架构设计。

本篇文章对《Tomcat内核设计剖析》这本书的阅读总结，大概的梳理了一下Tomcat的架构设计、模块组成。

其实从Tomcat配置文件Server.xml的格式就能看出它的结构。

<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
<Server>
	<Listener/>
    <GlobalNamingResource>
    	<Resoource/>
    </GlobalNamingResource>
    <Service>
    	<Executor/>
        <Connector/>
        <Engine>
        	<Cluster/>
            <Realm/>
            <Host>
            	<Context/>
            </Host>
        </Engine>
    </Service>
</Server>
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Server组件

Server组件代表整个Tomcat容器，是Tomcat最外层的组件，它包括三个部分：生命周期监听器，全局命名资源，Service组件

1.生命周期监听器

由于Tomcat是庞大而复杂的，并且它拥有很多组件，如果这些组件一个一个单独启动时非常麻烦的，而且容易遗漏，不易扩展其他组件。所以Tomcat提供了监听器方案，在其生命周期的不同阶段调用监听器，如果某个组件对于某事件感兴趣，只需要实现接口即可

2.全局命名资源

对应Server.xml配置文件的节点就是<GlobalNamingResource>,在Tomcat初始化时通过Digester框架将其解析成对象，并以树状结构存储，它提供的命名对象通过ResourceLink给所有Web应用访问使用。如：JNDI中存储数据库连接池对象。

3.监听关闭命令

Server组件会开放一个端口用于监听命令，默认为8005.当Tomcat接口收到“SHUTDOWN”命令时则会关闭程序。

Service组件

Server组件中可以包含多个Service组件，Service组件也是Tomcat最外层的组件之一。包含若干Connector组件和Executor组件组合而成，其中不同的Connector组件可以使用不用的通信协议，如：HTTP，AJP。

Executor组件则是Service组件下的线程池，Connector组件可以通过Executor组件实现线程池共享，默认情况下使用自己的私有线程池，其他组件也可以使用。此外，Service组件还包含了一个非常重要的Engine组件，Connector组件负责接收客户端消息，而Engine组件则负责处理客户端消息。

Connector组件

Connector主要职责就是接收客户端连接并接收报文，将其解析后裔送给Engine处理。它的组件包括：Protocol组件，Mapper组件，CoyoteAdaptor组件。

Protocol是协议的抽象，它有不同的实现，每一个实现对应一种通信协议，其中包括的Endpoint是接收端的抽象，分为Acceptor专门接收客户端连接的接收器组件和Executor线程池组件，Processor组件是对客户端请求处理的抽象。

Mapper是路由组件，它可以将请求分发到对应的Web应用的某个Servlet上。

而CoyoteAdaptor组价是一个适配器，它负责将Connector组件和Engine容器适配连接起来。

以Http协议来说：

Protocol组件的HTTP实例则是Http11Protocol和HttpNIOProtocol。由IO模式的不同，可以分为阻塞模式和非阻塞模式

1.HTTP阻塞模式协议

HttpProtocol表示阻塞式的HTTP协议通信，由传统Socket套接字为底层实现，它包含JIoEndpoint和Http11Processor组件

• JIoEndpoint

ServerSocketFactory根据不同的安全层次如HTTP，HTTPS创建ServerSocket对象供Acceptor使用。 连接数控制器（LimitLatch）对连接数进行计数，来一个请求加一，请求结束后减一。请求数过多时就阻塞请求或拒绝处理。 Socket接收器（Acceptor），监听某个端口，当有连接时就将任务丢给任务执行器。 任务定义器（SocketProcessor），定义好任务处理的统一流程抽象，如:

{
	处理套接字输出的响应报文；
	连接数计数器减一；
	关闭套接字；
}
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任务执行器（Executor），维护一个任务队列，不断从任务队列中取得任务，执行任务定义器定义好的任务。

• HTTP阻塞处理器（Http11Processor） Http11Processor提供了对Http协议的通信处理，将接收到的报文解析成我们熟知的请求对象，Request和Response，提供一个门面对象供Web应用使用。

2.Http非阻塞模式协议

Http11NIOProtocol表示非阻塞模式Http协议的通信，它主要包含NioEndpoint组件和Http11NioProcessor组件。一个连接到来时，将被注册到NioChannel队列中，由Poller负责检测通道的读写事件，并在创建任务后扔进线程池中。

BIO模式在接收到一个请求时，将开启一个线程处理该请求，此时一个线程只能处理一个请求，并且请求并不是like发送数据，由于网络或业务的一些原因，服务端并不能立刻接收到数据进行处理，而在等待数据准备的过程中造成了资源浪费。

NIO模式克服了这种弊端，它能基于时间在一个线程中同时维护大量连接，它将套接字工作交给一个线程，读写交给其他N个线程，在接收请求后，它将请求放入Channel队列中，用轮询器不断检测通道读写事件，如果数据准备好了，可读后，则将该连接交由连接池读写处理。

NIO模式，对数据的操作读写，即调用基础的IO操作API依然是阻塞的，只有对网络IO才是非阻塞的，在等待数据时是非阻塞的。

同步非阻塞：同步时对IO来说，非阻塞是处理方式。

Engine容器

Engine即为全局引擎容器，它的标准实现为StandardEngine。其中主要包括组件有Host、AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm、LifecycleListener、Log组件。

AccessLog、Log组件，日志框架

Tomcat提供了统一的日志接口Log，并提供了国际化组件，在每个Java包下面都会存在LocalStrings.properties的不同语言版本。并且以Java包为单位划分范围，每个类如果需要查找消息都到对应的java包下的properties文件中查找。

还设计了客户端访问日志记录接口，并提供了不同的实现，对持久化方式的不同有FileAccessLog，JDBCAccessLog等，还可以自己实现访问日志组件。

Pipeline（管道与阀门）

在复杂的大型系统中，存在某个对象或数据流需要进行繁杂的逻辑处理，可以采用管道模式，划分出每个小模块互相独立且各自负责一段逻辑处理。

如Request、Response就是这种需要进行繁复加工处理的对象，采用管道在其中设置阀门处理逻辑。在Tomcat中有4个级别的容器分别是 Engine、Host、Context、Wrapper。请求对象将分别由这4个容器处理，在4个容器之间通过管道机制进行传递，请求对象先通过Engine管道，经由若干个阀门处理，最后由基础阀门处理流转到下一级通道，每一级管道都有一个基础阀门。

Cluster（集群）组件

Tomcat提供了集群功能，可以快速的布置Web集群应用，而集群之间的一些通信则由Cluster组件完成。Cluster组件主要功能是提供会话复制，上下文属性复制和在集群下的web应用部署，并且Cluster组件可分为两个级别Engine和Host。

在Cluster组件内部真正负责集群间通信的是Tribes组件，它维护着一个集群内存活主机列表，当Cluster调用发送消息接口时，由Tribes组件将消息发送到集群中的其他主机上。

Realm组件

Realm域其实可以看成一个包含了用户及密码的数据库，根据用户角色的不同，限制用户访问应用的url或资源信息。Realm域是为了统一web容器资源安全、管理，统一抽象重复认证工作方便web应用资源权限管理开发而提供的一个概念，它支持Engine、Host、Context级别容器的共享。

LifecycleListener

LifecycleListener即是容器生命周期状态监听器。

Host组件

Host组件是Servlet引擎中虚拟主机的抽象，Engine中可以包含多个Host容器，而一个Host容器也可以包含若干个Context容器，Host容器包括的组件有Context容器、AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm、HostConfig、Log组件

1.HostConfig

Host作为虚拟主机容器，用于放置Context级别容器，而Context其实对应的就是web应用，每个Tomcat应用都有自己的配置，当Tomcat启动时，必须把对应web属性加载进Context中，如果在Tomcat启动时加载配置，这样对Context的配置修改不会立刻生效，必须重启Tomcat。所以Tomcat采用监听器的方式，当Tomcat启动时触发“START_EVENT”事件时执行web应用部署动作。

Context容器

Context容器对应一个Web应用程序，它包含若干个Wrapper组件、Realm、AccessLog、ErrorPage、Manager、DirContext、安全认证组件、JarScanner、过滤器、NamingResource、Mapper、Pipeline、WebAppLoader、ApplicationContext、InstanceManager、ServletContainerInitializer和Listeners组件。

• AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm，已经介绍过。
• ErrorPage（错误页面）：每个Context容器都拥有各自的错误页面对象，它可以在Context标签下进行配置。
• Manager（会话管理器）：用于Context容器下的会话管理，提供不同的实现，有基于内存的，基于文件的持久化，基于JDBC等实现方案，此外针对集群，还提供了集群会话管理器，可以在集群中同步共享会话。
• DirContext（目录上下文）：属于JNDI的标准接口，目的是采用一种简单的方式访问整个Web应用包含的文件，由于web应用文件格式不同提供了WARDirContext、FileDirContext两种实现。
• JarScanner：顾名思义，它是专门用于扫描Context对于的Web应用的jar包。
• 过滤器：在web开发中，过滤器是经常使用的组件之一，它提供了为某个web应用的所有请求和响应做统一处理的功能。

Wrapper容器

Wrapper容器对应的就是Servlet，它内部维持了一个Servlet对象或者一个Servlet对象池。一般来说一个Wrapper只有一个Servlet对象，所以所有处理线程都调用同一个Servlet对象，但某个Servlet实现了SingleThreadModel接口也允许多个对象存在。

request，response对象由Context基础阀门流转到Wrapper容器管道后，经过Wrapper管道的多个阀门，最后进入基础阀门，基础阀门调用过滤链，最后调用Servlet接口的service方法,对于HttpServlet实现来说，在调用service方法后，HttpServlet在service方法内部对Method进行判断，分别调用doGet、doPost等不同方法。

类加载器

容器最重要的是对于资源的隔离，Tomcat采用自定义的类加载器完成了资源的隔离解决了以下四个问题：

• 同一个Web服务器内，各web项目之间的java类库相互隔离
• 同一个web服务器内，各web项目可以共享java类库
• 服务器不能收web项目影响，所以服务器类库应该与应用程序隔离
• 支持热重载

使用java类加载器可以动态加载需要的类，没有使用到的类不需要加载，可以节省程序运行内存。在java中我们用完全匹配类名来标识一个类，而在JVM中由完全匹配类名和一个类加载器的实例Id作为唯一标识。也就是说，同一个虚拟机可以有两个包名、类名都相同的类，只要它们由两个不同的类加载器加载。这种特征为我们提供了隔离机制，只要对不同的web项目用不同的类加载器加载jar包就可以隔离开资源类库。而在热重载的时候，只需要重新创建一个类加载器替换旧的类加载器，而原来的类加载器会被gc回收，就可以不用重启Tomcat而重新加载了web应用程序。

Jasper

Jasper就是JSP解析引擎，Tomcat使用Jasper解析Jsp文件，将之转化成继承HttpJspBase的类文件，然后用Eclipse JDT java编译器或Ant编译器将java文件编译成字节码文件，最后采用类加载器加载字节码文件。这也是为什么Tomcat第一次访问jsp文件比较慢的原因，它需要将jsp编译成字节码文件加载运行，在第一次加载完成后，Tomcat将它缓存下来下次就可以直接使用，并且Tomcat会在后台线程不断检测Jsp文件与编译后的字节码文件的最后修改时间是否相同，如果不相同，则表示jsp文件有改动，则需要重新编译。

总结

Tomcat是一个十分庞大的项目，其中涉及到方方面面的知识，我根据《Tomcat内核设计剖析》这本书的介绍从宏观上了解了Tomcat的总体设计，依然某些方面理解起来十分吃力，对于Tomcat架构的细节方面依然需要时间慢慢体会，深入挖掘。本文也是比较浅显的做了一下读书笔记，如果其中有些地方我理解错误，欢迎评论指出。

大概回想了一下，关于Tomcat架构主要就是围绕Connector和Container组件，一个是接收器，一个是处理容器，而Container组件在Tomcat中没有显示标明，它其实就是Engine容器。通过接收器监听端口连接，当有请求到来时，接收器将获取请求读取请求报文解析成Request、Response对象，之后交给Engine引擎进行处理，经过一层层处理后，接收器再将Response对象解析成响应报文返回给客户端。