Tomcat 轻量级容器原理探秘架构分析篇

vlambda
2021-08-26

Tomcat 轻量级容器原理探秘架构分析篇

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1. 整体架构

Tomcat 是全世界最著名的基于 Java 语言的轻量级应用服务器，是一款完全开源免费的 Servlet 容器实现。同时，它支持 HTML、JS 等静态资源的处理，因此又可以作为轻量级 Web 服务器使用。

Tomcat 作为轻量级 Web 服务器处理连接过来的 Socket 请求有两个功能：

对外处理连接，将收到的字节流转化为自己想要的 Request 和 Response 对象；
对内处理 Servlet，将对应的 Request 请求分发到相应的 Servlet 中；

Tomcat 其实就分为两大部分，一部分是连接器(Connnector)处理对外连接和容器(Container)管理对内的 Servlet。

最外层的大框就是代表一个 Tomcat 服务，一个 Tomcat 服务可以对应多个 Service。每个 Service 都有连接器和容器。我们在实际应用的时候都会修改 server.xml 配置文件，这些对应关系其实在配置文件中也能体现，将配置文件简化：

<Server port="8006" shutdown="SHUTDOWN">

  <Service name="Catalina">

    <Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1" connectionTimeout="20000" redirectPort="8443" />
    <Connector port="8010" protocol="AJP/1.3" redirectPort="8443" />

    <Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">

      <Realm className="org.apache.catalina.realm.LockOutRealm">
        <Realm className="org.apache.catalina.realm.UserDatabaseRealm" resourceName="UserDatabase"/>
      </Realm>

      <Host name="localhost"  appBase="webapps">
      </Host>
      
    </Engine>   
  </Service>
</Server>

这里我们可以看到连接器其实就是 Connector，一个 Service 中可以有多个连接器，容器其实对应的就是 Engine。Tomcat 的整体架构简单来说就是这样的对应关系，接下来我们来看连接器的整体架构和容器的整体架构。

2. 连接器组件 Coyote

Coyote 是 Tomcat 中连接器的组件名称 , 是对外的接⼝。客户端通过 Coyote 与服务器建⽴连接、发送请求并接受响应。

我们可以看到上图中连接器传给容器的是 ServletRequest 对象，而容器传给连接器的是 ServletResponse 对象，这些在网络传输过程中是肯定不行的，因为网络传输中传送的字节流。所以连接器的功能需求我们大概能总结出来以下几点：

Socket 连接
读取请求网络中的字节流
根据相应的协议 (Http/AJP) 解析字节流，生成统一的 Tomcat Request 对象
将 Tomcat Request 传给容器
容器返回 Tomcat Response 对象
将 Tomcat Response 对象转换为字节流
将字节流返回给客户端

tomcat连接器.png

其实上面的细分都能总结为以下的三点：

网络通信

应用层协议的解析

Tomcat 的 Request/Response 与 ServletRequest/ServletResponse 对象的转化

Tomcat 中它也用了三个类来实现上面的三个功能，分别对应如下：

tomcat连接器组件作用.png

EndPoint：EndPoint 是 Coyote 通信端点，即通信监听的接⼝，是具体 Socket 接收和发送处理器，是对传输层的抽象，因此 EndPoint ⽤来实现 TCP/IP 协议的。
Processor：Processor 是 Coyote 协议处理接⼝，如果说 EndPoint 是⽤来实现 TCP/IP 协议的，那么Processor ⽤来实现 HTTP 协议，Processor 接收来⾃ EndPoint 的 Socket，读取字节流解析成 Tomcat Request和 Response 对象，并通过 Adapter 将其提交到容器处理，Processor 是对应⽤层协议的抽象。
Adapter：由于协议不同，客户端发过来的请求信息也不尽相同，Tomcat 定义了⾃⼰的 Request 类来封装这些请求信息。ProtocolHandler 接⼝负责解析请求并⽣成 Tomcat Request 类。但是这个 Request 对象不是标准的 ServletRequest，不能⽤ Tomcat Request 作为参数来调⽤容器。Tomcat 设计者的解决⽅案是引⼊ CoyoteAdapter，这是适配器模式的经典运⽤，连接器调⽤ CoyoteAdapter 的 Sevice ⽅法，传⼊的是 Tomcat Request 对象，CoyoteAdapter 负责将 Tomcat Request 转成 ServletRequest，再调⽤容器。

3. Servlet容器 Catalina

容器，顾名思义就是装东西的器具，那么这个 Tomcat 容器是装什么的呢？其实主要的就是装了 Servlet 的。那么容器是如何设计的呢？Tomcat 的容器设计其实是用了组合设计模式。

Catalina 是 Tomcat 的 Servlet 容器，Tomcat 本质上就是⼀款 Servlet 容器，因为 Catalina 才是 Tomcat 的核⼼，其他模块都是为 Catalina 提供⽀撑的。

我们往往有⼀个认识，Tomcat 就是⼀个 Catalina 的实例，因为 Catalina 是 Tomcat 的核⼼。其实，可以认为整个 Tomcat 就是⼀个 Catalina 实例，Tomcat 启动的时候会初始化这个实例，Catalina 实例通过加载 server.xml 完成其他实例的创建，创建并管理⼀个 Server，Server 创建并管理多个服务，每个服务⼜可以有多个 Connector 和⼀个 Container。

-- ⼀个 Catalina 的实例
    -- ⼀个 Server 的实例
        -- 多个 Service 的实例
            -- 每一个 Service 实例下可以有多个 Connector 实例和一个 Container 实例

tomcat容器结构.png

Catalina：负责解析 Tomcat 的配置⽂件（server.xml）, 以此来创建服务器 Server 组件并进⾏管理。
Server：服务器表示整个 Catalina Servlet 容器以及其它组件，负责组装并启动 Servlaet 引擎，Tomcat连接器。Server 通过实现 Lifecycle 接⼝，提供了⼀种优雅的启动和关闭整个系统的⽅式。
Service：服务是 Server 内部的组件，⼀个 Server 包含多个 Service，它将若⼲个 Connector 组件绑定到⼀个 Container。
Container：容器，负责处理⽤户的 Servlet 请求，并返回对象给 web ⽤户的模块。

Container 组件的具体结构

容器中有两个模块，一个是顶层模块 Engine，另一个是 Host，其实还有两个模块，一个是 Context 对应的是我们 webapp 里面的每个应用文件夹，每个文件夹就是对应一个 Context，还有一个模块 Wrapper 对应的是我们 Context 中的所有 Servlet，Wrapper 管理了访问关系与具体的 Servlet 的对应。

Engine：表示整个 Catalina 的 Servlet 引擎，⽤来管理多个虚拟站点，⼀个 Service 最多只能有⼀个 Engine，但是⼀个引擎可包含多个 Host。
Host：代表⼀个虚拟主机，或者说⼀个站点，可以给 Tomcat 配置多个虚拟主机地址，⽽⼀个虚拟主机下可包含多个 Context。
Context：表示⼀个 Web 应⽤程序，⼀个 Web 应⽤可包含多个 Wrapper。
Wrapper：表示⼀个 Servlet，Wrapper 作为容器中的最底层，不能包含⼦容器。

4. 请求如何定位

我们就举个最简单的例子，我们本机应用上启动了一个 Tomcat，webapp 下有我们部署的一个应用 baicai。我们在浏览器上输入 http://localhost:8080/baicai/index.do 是如何找到对应 Servlet 进行处理呢？

请求发送到本机的 8080 端口，被在那里监听的 HTTP/1.1 的连接器 Connector 获得；

连接器 Connector 将字节流转换为容器所需要的 ServletRequest 对象给同级 Service 下的容器模块 Engine 进行处理；

Engine 获得地址 http://localhost:8080/baicai/index 匹配他下面的 Host 主机

匹配到名为 localhost 的 Host（就算此时请求为具体的 ip，没有配置相应的 Host，也会交给名为 localhost 的 Host 进行处理，因为他是默认的主机）；

Host 匹配到路径为 /baicai 的 Context，即在 webapp 下面找到相应的文件夹；

Context 匹配到 URL 规则为 *.do 的 servlet，对应为某个 Servlet 类；

调用其 doGet 或者 doPost 方法；

Servlet 执行完以后将对象返回给 Context；

Context 返回给 Host；

Host 返回给 Engine；

Engine 返回给连接器 Connector；

连接器 Connector 将对象解析为字节流发送给客户端；