【深刻揭秘Tomcat服务器底层原理】扒下这只又爱又恨的“Tom猫”

时间 2021-02-14

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Tomcat是什么？html

Tomcat是开源的 Java Web 应用服务器，实现了 Java EE 的部分技术规范，好比 Java Servlet、Java Server Page、JSTL、Java WebSocket。Java EE 是 Sun 公司为企业级应用推出的标准平台，定义了一系列用于企业级开发的技术规范。除了上述的以外，还有 EJB、Java Mail、JPA、JTA、JMS 等，而这些都依赖具体容器的实现。

上图对比了 Java EE 容器的实现状况，Tomcat 和 Jetty 都只提供了 Java Web 容器必需的 Servlet 和 JSP 规范，开发者要想实现其余的功能，须要本身依赖其余开源实现。java

Glassfish 是由 sun 公司推出，Java EE 最新规范出来以后，首先会在 Glassfish 上进行实现，因此是研究 Java EE 最新技术的首选。程序员

最多见的状况是使用 Tomcat 做为 Java Web 服务器，使用 Spring 提供的开箱即用的强大功能，并依赖其余开源库来完成负责的业务功能实现。web

Servlet容器面试

Tomcat 组成shell

以下图所示，主要有 Container 和 Connector 以及相关组件构成。数据库

Server：指的就是整个 Tomcat 服务器，包含多组服务，负责管理和启动各个 Service，同时监听 8005 端口发过来的 shutdown 命令，用于关闭整个容器；
Service：Tomcat 封装的、对外提供完整的、基于组件的 web 服务，包含 Connectors、Container 两个核心组件，以及多个功能组件，各个 Service 之间是独立的，可是共享同一 JVM 的资源；
Connector：Tomcat 与外部世界的链接器，监听固定端口接收外部请求，传递给 Container，并将 Container 处理的结果返回给外部
Container：Catalina，Servlet 容器，内部有多层容器组成，用于管理 Servlet 生命周期，调用 servlet 相关方法
Loader：封装了 Java ClassLoader，用于 Container 加载类文件；Realm：Tomcat 中为 web 应用程序提供访问认证和角色管理的机制；
JMX：Java SE 中定义技术规范，是一个为应用程序、设备、系统等植入管理功能的框架，经过 JMX 能够远程监控 Tomcat 的运行状态
Jasper：Tomcat 的 Jsp 解析引擎，用于将 Jsp 转换成 Java 文件，并编译成 class 文件。Session：负责管理和建立 session，以及 Session 的持久化(可自定义)，支持 session 的集群。
Pipeline：在容器中充当管道的做用，管道中能够设置各类 valve(阀门)，请求和响应在经由管道中各个阀门处理，提供了一种灵活可配置的处理请求和响应的机制。
Naming：命名服务，JNDI， Java 命名和目录接口，是一组在 Java 应用中访问命名和目录服务的 API。命名服务将名称和对象联系起来，使得咱们能够用名称访问对象，目录服务也是一种命名服务，对象不但有名称，还有属性。Tomcat 中可使用 JNDI 定义数据源、配置信息，用于开发与部署的分离。

Container组成后端

Engine：Servlet 的顶层容器，包含一个或多个 Host 子容器；
Host：虚拟主机，负责 web 应用的部署和 Context 的建立；
Context：Web 应用上下文，包含多个 Wrapper，负责 web 配置的解析、管理全部的 Web 资源；
Wrapper：最底层的容器，是对 Servlet 的封装，负责 Servlet 实例的创建、执行和销毁。

生命周期管理浏览器

Tomcat 为了方便管理组件和容器的生命周期，定义了从建立、启动、到中止、销毁共 12 种状态tomcat

tomcat 生命周期管理了内部状态变化的规则控制，组件和容器只需实现相应的生命周期方法，便可完成各生命周期内的操做(initInternal、startInternal、stopInternal、 destroyInternal)；

好比执行初始化操做时，会判断当前状态是否 New，若是不是则抛出生命周期异常；是的话则设置当前状态为 Initializing，并执行 initInternal 方法，由子类实现，方法执行成功则设置当前状态为 Initialized，执行失败则设置为 Failed 状态；

Tomcat 的生命周期管理引入了事件机制，在组件或容器的生命周期状态发生变化时会通知事件监听器，监听器经过判断事件的类型来进行相应的操做。事件监听器的添加能够在 server.xml 文件中进行配置;

Tomcat 各种容器的配置过程是经过添加 listener 的方式来进行的，从而达到配置逻辑与容器的解耦。如 EngineConfig、HostConfig、ContextConfig。

EngineConfig：主要打印启动和中止日志
HostConfig：主要处理部署应用，解析应用 META-INF/context.xml 并建立应用
Context ContextConfig：主要解析并合并 web.xml，扫描应用的各种 web 资源 (filter、servlet、listener)

Tomcat 的启动过程

启动从 Tomcat 提供的 start.sh 脚本开始，shell 脚本会调用 Bootstrap 的 main 方法，实际调用了 Catalina 相应的 load、start 方法。

load 方法会经过 Digester 进行 config/server.xml 的解析，在解析的过程当中会根据 xml 中的关系和配置信息来建立容器，并设置相关的属性。

接着 Catalina 会调用 StandardServer 的 init 和 start 方法进行容器的初始化和启动。

按照 xml 的配置关系，server 的子元素是 service，service 的子元素是顶层容器 Engine，每层容器都持有本身的子容器，而这些元素都实现了生命周期管理的各个方法，所以就很容易的完成整个容器的启动、关闭等生命周期的管理。

StandardServer 完成 init 和 start 方法调用后，会一直监听来自 8005 端口(可配置)

若是接收到 shutdown 命令，则会退出循环监听，执行后续的 stop 和 destroy 方法，完成 Tomcat 容器的关闭。

同时也会调用 JVM 的 Runtime.getRuntime()﴿.addShutdownHook 方法，在虚拟机意外退出的时候来关闭容器。

全部容器都是继承自 ContainerBase，基类中封装了容器中的重复工做，负责启动容器相关的组件 Loader、Logger、Manager、Cluster、Pipeline，启动子容器(线程池并发启动子容器，经过线程池 submit 多个线程，调用后返回 Future 对象，线程内部启动子容器，接着调用 Future 对象的 get 方法来等待执行结果)。

List<future> results = new ArrayList<future>();

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 应用的部署方式

注：catalina.home：安装目录;catalina.base：工做目录;默认值 user.dir

Server.xml 配置 Host 元素，指定 appBase 属性，默认\$catalina.base/webapps/
Server.xml 配置 Context 元素，指定 docBase，元素，指定 web 应用的路径
自定义配置：在\$catalina.base/EngineName/HostName/XXX.xml 配置 Context 元素

HostConfig 监听了 StandardHost 容器的事件，在 start 方法中解析上述配置文件：

扫描 appbase 路径下的全部文件夹和 war 包，解析各个应用的 META-INF/context.xml，并建立 StandardContext，并将 Context 加入到 Host 的子容器中。
解析$catalina.base/EngineName/HostName/下的全部 Context 配置，找到相应 web 应用的位置，解析各个应用的 META-INF/context.xml，并建立 StandardContext，并将 Context 加入到 Host 的子容器中。

注：

HostConfig 并无实际解析 Context.xml，而是在 ContextConfig 中进行的。
HostConfig 中会按期检查 watched 资源文件(context.xml 配置文件)

ContextConfig 解析 context.xml 顺序：

先解析全局的配置 config/context.xml
而后解析 Host 的默认配置 EngineName/HostName/context.xml.default
最后解析应用的 META-INF/context.xml

ContextConfig 解析 web.xml 顺序：

先解析全局的配置 config/web.xml
而后解析 Host 的默认配置 EngineName/HostName/web.xml.default 接着解析应用的 MEB-INF/web.xml
扫描应用 WEB-INF/lib/下的 jar 文件，解析其中的 META-INF/web-fragment.xml 最后合并 xml 封装成 WebXml，并设置 Context

注：

扫描 web 应用和 jar 中的注解(Filter、Listener、Servlet)就是上述步骤中进行的。
容器的按期执行：backgroundProcess，由 ContainerBase 来实现的，而且只有在顶层容器中才会开启线程。(backgroundProcessorDelay=10 标志位来控制)

Servlet 生命周期

Servlet 是用 Java 编写的服务器端程序，其主要功能在于交互式地浏览和修改数据，生成动态 Web 内容。

请求到达 server 端，server 根据 url 映射到相应的 Servlet
判断 Servlet 实例是否存在，不存在则加载和实例化 Servlet 并调用 init 方法
Server 分别建立 Request 和 Response 对象，调用 Servlet 实例的 service 方法(service 方法内部会根据 http 请求方法类型调用相应的 doXXX 方法)
doXXX 方法内为业务逻辑实现，从 Request 对象获取请求参数，处理完毕以后将结果经过 response 对象返回给调用方
当 Server 再也不须要 Servlet 时(通常当 Server 关闭时)，Server 调用 Servlet 的 destroy() 方法。

load on startup

当值为 0 或者大于 0 时，表示容器在应用启动时就加载这个 servlet; 当是一个负数时或者没有指定时，则指示容器在该 servlet 被选择时才加载; 正数的值越小，启动该 servlet 的优先级越高;

single thread model

每次访问 servlet，新建 servlet 实体对象，但并不能保证线程安全，同时 tomcat 会限制 servlet 的实例数目

最佳实践：不要使用该模型，servlet 中不要有全局变量

请求处理过程

根据 server.xml 配置的指定的 connector 以及端口监听 http、或者 ajp 请求
请求到来时创建链接,解析请求参数,建立 Request 和 Response 对象,调用顶层容器 pipeline 的 invoke 方法
容器之间层层调用,最终调用业务 servlet 的 service 方法
Connector 将 response 流中的数据写到 socket 中

Pipeline 与 Valve

Pipeline 能够理解为现实中的管道,Valve 为管道中的阀门,Request 和 Response 对象在管道中通过各个阀门的处理和控制。

每一个容器的管道中都有一个必不可少的 basic valve,其余的都是可选的,basic valve 在管道中最后调用,同时负责调用子容器的第一个 valve。

Valve 中主要的三个方法:setNext、getNext、invoke;valve 之间的关系是单向链式结构,自己 invoke 方法中会调用下一个 valve 的 invoke 方法。

各层容器对应的 basic valve 分别是 StandardEngineValve、StandardHostValve、 StandardContextValve、StandardWrapperValve。

JSP引擎

JSP 生命周期

编译阶段:servlet 容器编译 servlet 源文
件,生成 servlet 类
初始化阶段:加载与 JSP 对应的 servlet 类, 建立其实例,并调用它的初始化方法
执行阶段:调用与 JSP 对应的 servlet 实例的服务方法
销毁阶段:调用与 JSP 对应的 servlet 实例的销毁方法,而后销毁 servlet 实例

JSP元素

代码片断：<%>

JSP声明：<%! ...="">

JSP表达式：<%=>

JSP注释：<%-->

JSP指令：<%@ directive="" attribute="“value”">

JSP行为：

HTML元素：html/head/body/div/p/…

JSP隐式对象：request、response、out、session、application、config、pageContext、page、Exception

JSP 元素说明

代码片断:包含任意量的 Java 语句、变量、方法或表达式;
JSP 声明:一个声明语句能够声明一个或多个变量、方法,供后面的 Java 代码使用;
JSP 表达式:输出 Java 表达式的值,String 形式;
JSP 注释:为代码做注释以及将某段代码注释掉
JSP 指令:用来设置与整个 JSP 页面相关的属性
<%@ page="" ...="">定义页面的依赖属性,好比 language、contentType、errorPage、 isErrorPage、import、isThreadSafe、session 等等
<%@ include="" ...="">包含其余的 JSP 文件、HTML 文件或文本文件,是该 JSP 文件的一部分,会被同时编译执行
<%@ taglib="" ...="">引入标签库的定义,能够是自定义标签
JSP 行为:jsp:include、jsp:useBean、jsp:setProperty、jsp:getProperty、jsp:forward

Jsp 解析过程

代码片断:在_jspService()方法内直接输出
JSP 声明: 在 servlet 类中进行输出
JSP 表达式:在_jspService()方法内直接输出
JSP 注释:直接忽略,不输出
JSP 指令:根据不一样指令进行区分,include:对引入的文件进行解析;page 相关的属性会作为 JSP 的属性,影响的是解析和请求处理时的行为
JSP 行为:不一样的行为有不一样的处理方式,jsp:useBean 为例,会从 pageContext 根据 scope 的类别获取 bean 对象,若是没有会建立 bean,同时存到相应 scope 的 pageContext 中
HTML:在_jspService()方法内直接输出
JSP 隐式对象:在_jspService()方法会进行声明,只能在方法中使用;

Connector

Http:HTTP 是超文本传输协议,是客户端浏览器或其余程序与 Web 服务器之间的应用层通讯协议

AJP:Apache JServ 协议(AJP)是一种二进制协议,专门代理从 Web 服务器到位于后端的应用程序服务器的入站请求

阻塞 IO

非阻塞 IO

IO多路复用

阻塞与非阻塞的区别在于进行读操做和写操做的系统调用时，若是此时内核态没有数据可读或者没有缓冲空间可写时，是否阻塞。

IO多路复用的好处在于可同时监听多个socket的可读和可写事件，这样就能使得应用能够同时监听多个socket，释放了应用线程资源。

Tomcat各种Connector对比

Connector的实现模式有三种，分别是BIO、NIO、APR，能够在server.xml中指定。

JIO：用java.io编写的TCP模块，阻塞IO
NIO：用java.nio编写的TCP模块，非阻塞IO，（IO多路复用）
APR：全称Apache Portable Runtime，使用JNI的方式来进行读取文件以及进行网络传输

Apache Portable Runtime是一个高度可移植的库，它是Apache HTTP Server 2.x的核心。

APR具备许多用途，包括访问高级IO功能（如sendfile，epoll和OpenSSL），操做系统级功能（随机数生成，系统状态等）和本地进程处理（共享内存，NT管道和Unix套接字）

表格中字段含义说明：

Support Polling：是否支持基于IO多路复用的socket事件轮询
Polling Size：轮询的最大链接数
Wait for next Request：在等待下一个请求时，处理线程是否释放，BIO是没有释放的，因此在keep-alive=true的状况下处理的并发链接数有限
Read Request Headers：因为request header数据较少，能够由容器提早解析完毕，不须要阻塞
Read Request Body：读取request body的数据是应用业务逻辑的事情，同时Servlet的限制，是须要阻塞读取的
Write Response：跟读取request body的逻辑相似，一样须要阻塞写

NIO处理相关类

Acceptor线程负责接收链接，调用accept方法阻塞接收创建的链接，并对socket进行封装成PollerEvent，指定注册的事件为op_read，并放入到EventQueue队列中，PollerEvent的run方法逻辑的是将Selector注册到socket的指定事件；

Poller线程从EventQueue获取PollerEvent，并执行PollerEvent的run方法，调用Selector的select方法，若是有可读的Socket则建立Http11NioProcessor，放入到线程池中执行

CoyoteAdapter是Connector到Container的适配器，Http11NioProcessor调用其提供的service方法，内部建立Request和Response对象，并调用最顶层容器的Pipeline中的第一个Valve的invoke方法

Mapper主要处理http url 到servlet的映射规则的解析，对外提供map方法

NIO Connector主要参数

Comet

Comet是一种用于web的推送技术，能使服务器实时地将更新的信息传送到客户端，而无须客户端发出请求

在WebSocket出来以前，若是不适用comet，只能经过浏览器端轮询Server来模拟实现服务器端推送。

Comet支持servlet异步处理IO，当链接上数据可读时触发事件，并异步写数据(阻塞)

Tomcat要实现Comet，只需继承HttpServlet同时，实现CometProcessor接口

Begin：新的请求链接接入调用，可进行与Request和Response相关的对象初始化操做，并保存response对象，用于后续写入数据
Read：请求链接有数据可读时调用
End：当数据可用时，若是读取到文件结束或者response被关闭时则被调用
Error：在链接上发生异常时调用，数据读取异常、链接断开、处理异常、socket超时

Note：

Read：在post请求有数据，但在begin事件中没有处理，则会调用read，若是read没有读取数据，在会触发Error回调，关闭socket
End：当socket超时，而且response被关闭时也会调用；server被关闭时调用
Error：除了socket超时不会关闭socket，其余都会关闭socket
End和Error时间触发时应关闭当前comet会话，即调用CometEvent的close方法
Note：在事件触发时要作好线程安全的操做

异步Servlet

传统流程：

首先，Servlet 接收到请求以后，request数据解析；
接着，调用业务接口的某些方法，以完成业务处理；
最后，根据处理的结果提交响应，Servlet 线程结束

异步处理流程：

客户端发送一个请求
Servlet容器分配一个线程来处理容器中的一个servlet
servlet调用request.startAsync()，保存AsyncContext, 而后返回
任何方式存在的容器线程都将退出，可是response仍然保持开放
业务线程使用保存的AsyncContext来完成响应（线程池）
客户端收到响应

Servlet 线程将请求转交给一个异步线程来执行业务处理，线程自己返回至容器，此时 Servlet 尚未生成响应数据，异步线程处理完业务之后，能够直接生成响应数据（异步线程拥有 ServletRequest 和 ServletResponse 对象的引用）

为何web应用中支持异步？

推出异步，主要是针对那些比较耗时的请求：好比一次缓慢的数据库查询，一次外部REST API调用, 或者是其余一些I/O密集型操做。这种耗时的请求会很快的耗光Servlet容器的线程池，继而影响可扩展性。

Note：从客户端的角度来看，request仍然像任何其余的HTTP的request-response交互同样，只是耗费了更长的时间而已

异步事件监听

onStartAsync：Request调用startAsync方法时触发
onComplete：syncContext调用complete方法时触发
onError：处理请求的过程出现异常时触发
onTimeout：socket超时触发

Note :

onError/ onTimeout触发后，会紧接着回调onComplete

onComplete 执行后，就不可再操做request和response

【深刻揭秘Tomcat服务器底层原理】扒下这只又爱又恨的“Tom猫”

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