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[導(dǎo)讀]作者:VectorJin來源:juejin.cn/post/6844903473482317837Tomcat是什么開源的JavaWeb應(yīng)用服務(wù)器,實現(xiàn)了JavaEE(JavaPlatformEnterpriseEdition)的部分技術(shù)規(guī)范,比如JavaServlet、Java...

作者:VectorJin
來源:juejin.cn/post/6844903473482317837

Tomcat是什么

開源的 Java Web 應(yīng)用服務(wù)器,實現(xiàn)了 Java EE(Java Platform Enterprise Edition)的部 分技術(shù)規(guī)范,比如 Java Servlet、Java Server Page、JSTL、Java WebSocket。Java EE 是 Sun 公 司為企業(yè)級應(yīng)用推出的標準平臺,定義了一系列用于企業(yè)級開發(fā)的技術(shù)規(guī)范,除了上述的之外,還有 EJB、Java Mail、JPA、JTA、JMS 等,而這些都依賴具體容器的實現(xiàn)。

Tomcat組成與工作原理
上圖對比了 Java EE 容器的實現(xiàn)情況,Tomcat 和 Jetty 都只提供了 Java Web 容器必需的 Servlet 和 JSP 規(guī)范,開發(fā)者要想實現(xiàn)其他的功能,需要自己依賴其他開源實現(xiàn)。Glassfish 是由 sun 公司推出,Java EE 最新規(guī)范出來之后,首先會在 Glassfish 上進行實 現(xiàn),所以是研究 Java EE 最新技術(shù)的首選。最常見的情況是使用 Tomcat 作為 Java Web 服務(wù)器,使用 Spring 提供的開箱即用的強大的功能,并依賴其他開源庫來完成負責(zé)的業(yè)務(wù)功能實現(xiàn)。

Servlet容器

Tomcat 組成如下圖:主要有 Container 和 Connector 以及相關(guān)組件構(gòu)成。

Tomcat組成與工作原理
Server:指的就是整個 Tomcat 服 務(wù)器,包含多組服務(wù),負責(zé)管理和 啟動各個 Service,同時監(jiān)聽 8005 端口發(fā)過來的 shutdown 命令,用 于關(guān)閉整個容器 ;

Service:Tomcat 封裝的、對外提 供完整的、基于組件的 web 服務(wù), 包含 Connectors、Container 兩個 核心組件,以及多個功能組件,各 個 Service 之間是獨立的,但是共享 同一 JVM 的資源 ;

Connector:Tomcat 與外部世界的連接器,監(jiān)聽固定端口接收外部請求,傳遞給 Container,并 將 Container 處理的結(jié)果返回給外部;

Container:Catalina,Servlet 容器,內(nèi)部有多層容器組成,用于管理 Servlet 生命周期,調(diào)用 servlet 相關(guān)方法。

Loader:封裝了 Java ClassLoader,用于 Container 加載類文件;Realm:Tomcat 中為 web 應(yīng)用程序提供訪問認證和角色管理的機制;

JMX:Java SE 中定義技術(shù)規(guī)范,是一個為應(yīng)用程序、設(shè)備、系統(tǒng)等植入管理功能的框架,通過 JMX 可以遠程監(jiān)控 Tomcat 的運行狀態(tài);

Jasper:Tomcat 的 Jsp 解析引擎,用于將 Jsp 轉(zhuǎn)換成 Java 文件,并編譯成 class 文件。Session:負責(zé)管理和創(chuàng)建 session,以及 Session 的持久化(可自定義),支持 session 的集 群。

Pipeline:在容器中充當管道的作用,管道中可以設(shè)置各種 valve(閥門),請求和響應(yīng)在經(jīng)由管 道中各個閥門處理,提供了一種靈活可配置的處理請求和響應(yīng)的機制。

Naming:命名服務(wù),JNDI, Java 命名和目錄接口,是一組在 Java 應(yīng)用中訪問命名和目錄服務(wù)的 API。命名服務(wù)將名稱和對象聯(lián)系起來,使得我們可以用名稱訪問對象,目錄服務(wù)也是一種命名 服務(wù),對象不但有名稱,還有屬性。Tomcat 中可以使用 JNDI 定義數(shù)據(jù)源、配置信息,用于開發(fā) 與部署的分離。

Container組成
Tomcat組成與工作原理

Engine:Servlet 的頂層容器,包含一 個或多個 Host 子容器;Host:虛擬主機,負責(zé) web 應(yīng)用的部 署和 Context 的創(chuàng)建;Context:Web 應(yīng)用上下文,包含多個 Wrapper,負責(zé) web 配置的解析、管 理所有的 Web 資源;Wrapper:最底層的容器,是對 Servlet 的封裝,負責(zé) Servlet 實例的創(chuàng) 建、執(zhí)行和銷毀。
生命周期管理Tomcat 為了方便管理組件和容器的生命周期,定義了從創(chuàng)建、啟動、到停止、銷毀共 12 中狀態(tài),tomcat 生命周期管理了內(nèi)部狀態(tài)變化的規(guī)則控制,組件和容器只需實現(xiàn)相應(yīng)的生命周期 方法即可完成各生命周期內(nèi)的操作(initInternal、startInternal、stopInternal、 destroyInternal);比如執(zhí)行初始化操作時,會判斷當前狀態(tài)是否 New,如果不是則拋出生命周期異常;是的 話則設(shè)置當前狀態(tài)為 Initializing,并執(zhí)行 initInternal 方法,由子類實現(xiàn),方法執(zhí)行成功則設(shè)置當 前狀態(tài)為 Initialized,執(zhí)行失敗則設(shè)置為 Failed 狀態(tài);
Tomcat組成與工作原理
Tomcat 的生命周期管理引入了事件機制,在組件或容器的生命周期狀態(tài)發(fā)生變化時會通 知事件監(jiān)聽器,監(jiān)聽器通過判斷事件的類型來進行相應(yīng)的操作。事件監(jiān)聽器的添加可以在 server.xml 文件中進行配置;Tomcat 各類容器的配置過程就是通過添加 listener 的方式來進行的,從而達到配置邏輯與 容器的解耦。如 EngineConfig、HostConfig、ContextConfig。EngineConfig:主要打印啟動和停止日志 HostConfig:主要處理部署應(yīng)用,解析應(yīng)用 META-INF/context.xml 并創(chuàng)建應(yīng)用的 Context ContextConfig:主要解析并合并 web.xml,掃描應(yīng)用的各類 web 資源 (filter、servlet、listener)
Tomcat組成與工作原理
Tomcat 的啟動過程
Tomcat組成與工作原理
啟動從 Tomcat 提供的 start.sh 腳本開始,shell 腳本會調(diào)用 Bootstrap 的 main 方法,實際 調(diào)用了 Catalina 相應(yīng)的 load、start 方法。load 方法會通過 Digester 進行 config/server.xml 的解析,在解析的過程中會根據(jù) xml 中的關(guān)系 和配置信息來創(chuàng)建容器,并設(shè)置相關(guān)的屬性。接著 Catalina 會調(diào)用 StandardServer 的 init 和 start 方法進行容器的初始化和啟動。按照 xml 的配置關(guān)系,server 的子元素是 service,service 的子元素是頂層容器 Engine,每層容器有持有自己的子容器,而這些元素都實現(xiàn)了生命周期管理 的各個方法,因此就很容易的完成整個容器的啟動、關(guān)閉等生命周期的管理。StandardServer 完成 init 和 start 方法調(diào)用后,會一直監(jiān)聽來自 8005 端口(可配置),如果接收 到 shutdown 命令,則會退出循環(huán)監(jiān)聽,執(zhí)行后續(xù)的 stop 和 destroy 方法,完成 Tomcat 容器的 關(guān)閉。同時也會調(diào)用 JVM 的 Runtime.getRuntime()?.addShutdownHook 方法,在虛擬機意外退 出的時候來關(guān)閉容器。所有容器都是繼承自 ContainerBase,基類中封裝了容器中的重復(fù)工作,負責(zé)啟動容器相關(guān)的組 件 Loader、Logger、Manager、Cluster、Pipeline,啟動子容器(線程池并發(fā)啟動子容器,通過 線程池 submit 多個線程,調(diào)用后返回 Future 對象,線程內(nèi)部啟動子容器,接著調(diào)用 Future 對象 的 get 方法來等待執(zhí)行結(jié)果)。

List results = new ArrayList();for (int i = 0; i < children.length; i ) { results.add(startStopExecutor.submit(new StartChild(children[i])));}boolean fail = false;for (Futureresult :results) { try { result.get(); } catch (Exception e) { log.error(sm.getString("containerBase.threadedStartFailed"), e); fail = true; }}

Web 應(yīng)用的部署方式注:catalina.home:安裝目錄;catalina.base:工作目錄;默認值 user.dir
  • Server.xml 配置 Host 元素,指定 appBase 屬性,默認$catalina.base/webapps/
  • Server.xml 配置 Context 元素,指定 docBase,元素,指定 web 應(yīng)用的路徑
  • 自定義配置:在$catalina.base/EngineName/HostName/XXX.xml 配置 Context 元素
HostConfig 監(jiān)聽了 StandardHost 容器的事件,在 start 方法中解析上述配置文件:
  • 掃描 appbase 路徑下的所有文件夾和 war 包,解析各個應(yīng)用的 META-INF/context.xml,并 創(chuàng)建 StandardContext,并將 Context 加入到 Host 的子容器中。
  • 解析$catalina.base/EngineName/HostName/下的所有 Context 配置,找到相應(yīng) web 應(yīng) 用的位置,解析各個應(yīng)用的 META-INF/context.xml,并創(chuàng)建 StandardContext,并將 Context 加入到 Host 的子容器中。
注:
  • HostConfig 并沒有實際解析 Context.xml,而是在 ContextConfig 中進行的。
  • HostConfig 中會定期檢查 watched 資源文件(context.xml 配置文件)
ContextConfig 解析 context.xml 順序:
  • 先解析全局的配置 config/context.xml
  • 然后解析 Host 的默認配置 EngineName/HostName/context.xml.default
  • 最后解析應(yīng)用的 META-INF/context.xml
ContextConfig 解析 web.xml 順序:
  • 先解析全局的配置 config/web.xml
  • 然后解析 Host 的默認配置 EngineName/HostName/web.xml.default 接著解析應(yīng)用的 MEB-INF/web.xml
  • 掃描應(yīng)用 WEB-INF/lib/下的 jar 文件,解析其中的 META-INF/web-fragment.xml 最后合并 xml 封裝成 WebXml,并設(shè)置 Context
注:
  • 掃描 web 應(yīng)用和 jar 中的注解(Filter、Listener、Servlet)就是上述步驟中進行的。
  • 容器的定期執(zhí)行:backgroundProcess,由 ContainerBase 來實現(xiàn)的,并且只有在頂層容器 中才會開啟線程。(backgroundProcessorDelay=10 標志位來控制)
**Servlet 生命周期 **
Tomcat組成與工作原理
Servlet 是用 Java 編寫的服務(wù)器端程序。其主要功能在于交互式地瀏覽和修改數(shù)據(jù),生成動態(tài) Web 內(nèi)容。
  1. 請求到達 server 端,server 根據(jù) url 映射到相應(yīng)的 Servlet
  2. 判斷 Servlet 實例是否存在,不存在則加載和實例化 Servlet 并調(diào)用 init 方法
  3. Server 分別創(chuàng)建 Request 和 Response 對象,調(diào)用 Servlet 實例的 service 方法(service 方法 內(nèi)部會根據(jù) http 請求方法類型調(diào)用相應(yīng)的 doXXX 方法)
  4. doXXX 方法內(nèi)為業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn),從 Request 對象獲取請求參數(shù),處理完畢之后將結(jié)果通過 response 對象返回給調(diào)用方
  5. 當 Server 不再需要 Servlet 時(一般當 Server 關(guān)閉時),Server 調(diào)用 Servlet 的 destroy() 方 法。
load on startup當值為 0 或者大于 0 時,表示容器在應(yīng)用啟動時就加載這個 servlet; 當是一個負數(shù)時或者沒有指定時,則指示容器在該 servlet 被選擇時才加載; 正數(shù)的值越小,啟動該 servlet 的優(yōu)先級越高;single thread model每次訪問 servlet,新建 servlet 實體對象,但并不能保證線程安全,同時 tomcat 會限制 servlet 的實例數(shù)目 最佳實踐:不要使用該模型,servlet 中不要有全局變量**請求處理過程  **
Tomcat組成與工作原理
  1. 根據(jù) server.xml 配置的指定的 connector 以及端口監(jiān)聽 http、或者 ajp 請求
  2. 請求到來時建立連接,解析請求參數(shù),創(chuàng)建 Request 和 Response 對象,調(diào)用頂層容器 pipeline 的 invoke 方法
  3. 容器之間層層調(diào)用,最終調(diào)用業(yè)務(wù) servlet 的 service 方法
  4. Connector 將 response 流中的數(shù)據(jù)寫到 socket 中

**Pipeline 與 Valve  **
Tomcat組成與工作原理

Pipeline 可以理解為現(xiàn)實中的管道,Valve 為管道中的閥門,Request 和 Response 對象在管道中 經(jīng)過各個閥門的處理和控制。
每個容器的管道中都有一個必不可少的 basic valve,其他的都是可選的,basic valve 在管道中最 后調(diào)用,同時負責(zé)調(diào)用子容器的第一個 valve。Valve 中主要的三個方法:setNext、getNext、invoke;valve 之間的關(guān)系是單向鏈式結(jié)構(gòu),本身 invoke 方法中會調(diào)用下一個 valve 的 invoke 方法。各層容器對應(yīng)的 basic valve 分別是 StandardEngineValve、StandardHostValve、 StandardContextValve、StandardWrapperValve。

JSP引擎

Tomcat組成與工作原理
JSP 生命周期
  • 編譯階段:servlet 容器編譯 servlet 源文 件,生成 servlet 類
  • 初始化階段:加載與 JSP 對應(yīng)的 servlet 類, 創(chuàng)建其實例,并調(diào)用它的初始化方法
  • 執(zhí)行階段:調(diào)用與 JSP 對應(yīng)的 servlet 實例的 服務(wù)方法
  • 銷毀階段:調(diào)用與 JSP 對應(yīng)的 servlet 實例的 銷毀方法,然后銷毀 servlet 實例
JSP元素代碼片段: <% 代碼片段 %> JSP聲明: <%! declaration; [ declaration; ] ... %> JSP表達式:<%= 表達式 %> JSP注釋: <%-- 注釋 --%> JSP指令:   <%@ directive attribute=“value” %> JSP行為:HTML元素:html/head/body/div/p/… JSP隱式對象:request、response、out、session、application、config、 pageContext、page、Exception
**JSP 元素說明 ** 代碼片段:包含任意量的 Java 語句、變量、方法或表達式; JSP 聲明:一個聲明語句可以聲明一個或多個變量、方法,供后面的 Java 代碼使用; JSP 表達式:輸出 Java 表達式的值,String 形式; JSP 注釋:為代碼作注釋以及將某段代碼注釋掉 JSP 指令:用來設(shè)置與整個 JSP 頁面相關(guān)的屬性, <%@ page ... %>定義頁面的依賴屬性,比如 language、contentType、errorPage、 isErrorPage、import、isThreadSafe、session 等等 <%@ include ... %>包含其他的 JSP 文件、HTML 文件或文本文件,是該 JSP 文件的一部分,會 被同時編譯執(zhí)行 <%@ taglib ... %>引入標簽庫的定義,可以是自定義標簽 JSP 行為:jsp:include、jsp:useBean、jsp:setProperty、jsp:getProperty、jsp:forward
**Jsp 解析過程  **
Tomcat組成與工作原理
  • 代碼片段:在_jspService()方法內(nèi)直接輸出
  • JSP 聲明: 在 servlet 類中進行輸出
  • JSP 表達式:在_jspService()方法內(nèi)直接輸出
  • JSP 注釋:直接忽略,不輸出
  • JSP 指令:根據(jù)不同指令進行區(qū)分,include:對引入的文件進行解析;page 相關(guān)的屬性會做為 JSP 的屬性,影響的是解析和請求處理時的行為
  • JSP 行為:不同的行為有不同的處理方式,jsp:useBean 為例,會從 pageContext 根據(jù) scope 的 類別獲取 bean 對象,如果沒有會創(chuàng)建 bean,同時存到相應(yīng) scope 的 pageContext 中
  • HTML:在_jspService()方法內(nèi)直接輸出
  • JSP 隱式對象:在_jspService()方法會進行聲明,只能在方法中使用;

Connector

Tomcat組成與工作原理

Http:HTTP 是超文本傳輸協(xié)議,是客戶端瀏覽器或其他程序與 Web 服務(wù)器之間的應(yīng)用層通信協(xié) 議 AJP:Apache JServ 協(xié)議(AJP)是一種二進制協(xié)議,專門代理從 Web 服務(wù)器到位于后端的應(yīng)用 程序服務(wù)器的入站請求阻塞 IO

Tomcat組成與工作原理
非阻塞 IO
Tomcat組成與工作原理
** IO多路復(fù)用**
Tomcat組成與工作原理

阻塞與非阻塞的區(qū)別在于進行讀操作和寫操作的系統(tǒng)調(diào)用時,如果此時內(nèi)核態(tài)沒有數(shù)據(jù)可讀或者沒有緩沖空間可寫時,是否阻塞。IO多路復(fù)用的好處在于可同時監(jiān)聽多個socket的可讀和可寫事件,這樣就能使得應(yīng)用可以同時監(jiān)聽多個socket,釋放了應(yīng)用線程資源。Tomcat各類Connector對比Tomcat組成與工作原理

Connector的實現(xiàn)模式有三種,分別是BIO、NIO、APR,可以在server.xml中指定。

  • JIO:用java.io編寫的TCP模塊,阻塞IO
  • NIO:用java.nio編寫的TCP模塊,非阻塞IO,(IO多路復(fù)用)
  • APR:全稱Apache Portable Runtime,使用JNI的方式來進行讀取文件以及進行網(wǎng)絡(luò)傳輸
Apache Portable Runtime是一個高度可移植的庫,它是Apache HTTP Server 2.x的核心。APR具有許多用途,包括訪問高級IO功能(如sendfile,epoll和OpenSSL),操作系統(tǒng)級功能(隨機數(shù)生成,系統(tǒng)狀態(tài)等)和本地進程處理(共享內(nèi)存,NT管道和Unix套接字)。表格中字段含義說明:
  • Support Polling:是否支持基于IO多路復(fù)用的socket事件輪詢
  • Polling Size:輪詢的最大連接數(shù)
  • Wait for next Request:在等待下一個請求時,處理線程是否釋放,BIO是沒有釋放的,所以在keep-alive=true的情況下處理的并發(fā)連接數(shù)有限
  • Read Request Headers:由于request header數(shù)據(jù)較少,可以由容器提前解析完畢,不需要阻塞
  • Read Request Body:讀取request body的數(shù)據(jù)是應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯的事情,同時Servlet的限制,是需要阻塞讀取的
  • Write Response:跟讀取request body的邏輯類似,同樣需要阻塞寫

NIO處理相關(guān)類

Tomcat組成與工作原理

Acceptor線程負責(zé)接收連接,調(diào)用accept方法阻塞接收建立的連接,并對socket進行封裝成PollerEvent,指定注冊的事件為op_read,并放入到EventQueue隊列中,PollerEvent的run方法邏輯的是將Selector注冊到socket的指定事件;Poller線程從EventQueue獲取PollerEvent,并執(zhí)行PollerEvent的run方法,調(diào)用Selector的select方法,如果有可讀的Socket則創(chuàng)建Http11NioProcessor,放入到線程池中執(zhí)行;CoyoteAdapter是Connector到Container的適配器,Http11NioProcessor調(diào)用其提供的service方法,內(nèi)部創(chuàng)建Request和Response對象,并調(diào)用最頂層容器的Pipeline中的第一個Valve的invoke方法Mapper主要處理http url 到servlet的映射規(guī)則的解析,對外提供map方法NIO Connector主要參數(shù)

Tomcat組成與工作原理

Comet

Comet是一種用于web的推送技術(shù),能使服務(wù)器實時地將更新的信息傳送到客戶端,而無須客戶端發(fā)出請求 在WebSocket出來之前,如果不使用comet,只能通過瀏覽器端輪詢Server來模擬實現(xiàn)服務(wù)器端推送。Comet支持servlet異步處理IO,當連接上數(shù)據(jù)可讀時觸發(fā)事件,并異步寫數(shù)據(jù)(阻塞)
Tomcat組成與工作原理
Tomcat要實現(xiàn)Comet,只需繼承HttpServlet同時,實現(xiàn)CometProcessor接口
  • Begin:新的請求連接接入調(diào)用,可進行與Request和Response相關(guān)的對象初始化操作,并保存response對象,用于后續(xù)寫入數(shù)據(jù)
  • Read:請求連接有數(shù)據(jù)可讀時調(diào)用
  • End:當數(shù)據(jù)可用時,如果讀取到文件結(jié)束或者response被關(guān)閉時則被調(diào)用
  • Error:在連接上發(fā)生異常時調(diào)用,數(shù)據(jù)讀取異常、連接斷開、處理異常、socket超時
Note:
  • Read:在post請求有數(shù)據(jù),但在begin事件中沒有處理,則會調(diào)用read,如果read沒有讀取數(shù)據(jù),在會觸發(fā)Error回調(diào),關(guān)閉socket
  • End:當socket超時,并且response被關(guān)閉時也會調(diào)用;server被關(guān)閉時調(diào)用
  • Error:除了socket超時不會關(guān)閉socket,其他都會關(guān)閉socket
  • End和Error時間觸發(fā)時應(yīng)關(guān)閉當前comet會話,即調(diào)用CometEvent的close方法 Note:在事件觸發(fā)時要做好線程安全的操作

異步Servlet

Tomcat組成與工作原理

傳統(tǒng)流程:

  • 首先,Servlet 接收到請求之后,request數(shù)據(jù)解析;
  • 接著,調(diào)用業(yè)務(wù)接口的某些方法,以完成業(yè)務(wù)處理;
  • 最后,根據(jù)處理的結(jié)果提交響應(yīng),Servlet 線程結(jié)束
Tomcat組成與工作原理
異步處理流程:
  • 客戶端發(fā)送一個請求
  • Servlet容器分配一個線程來處理容器中的一個servlet
  • servlet調(diào)用request.startAsync(),保存AsyncContext, 然后返回
  • 任何方式存在的容器線程都將退出,但是response仍然保持開放
  • 業(yè)務(wù)線程使用保存的AsyncContext來完成響應(yīng)(線程池)
  • 客戶端收到響應(yīng)
Servlet 線程將請求轉(zhuǎn)交給一個異步線程來執(zhí)行業(yè)務(wù)處理,線程本身返回至容器,此時 Servlet 還沒有生成響應(yīng)數(shù)據(jù),異步線程處理完業(yè)務(wù)以后,可以直接生成響應(yīng)數(shù)據(jù)(異步線程擁有 ServletRequest 和 ServletResponse 對象的引用)為什么web應(yīng)用中支持異步?推出異步,主要是針對那些比較耗時的請求:比如一次緩慢的數(shù)據(jù)庫查詢,一次外部REST API調(diào)用, 或者是其他一些I/O密集型操作。這種耗時的請求會很快的耗光Servlet容器的線程池,繼而影響可擴展性。Note:從客戶端的角度來看,request仍然像任何其他的HTTP的request-response交互一樣,只是耗費了更長的時間而已異步事件監(jiān)聽
  • onStartAsync:Request調(diào)用startAsync方法時觸發(fā)
  • onComplete:syncContext調(diào)用complete方法時觸發(fā)
  • onError:處理請求的過程出現(xiàn)異常時觸發(fā)
  • onTimeout:socket超時觸發(fā)
Note : onError/ onTimeout觸發(fā)后,會緊接著回調(diào)onComplete onComplete 執(zhí)行后,就不可再操作request和response
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