四圖帶你瞭解Tomcat系統架構——讓面試官顫抖Tomcat系列
一、架構
下面談談我對Tomcat架構的理解
總體架構：
1、面向組件架構
2、基於JMX
3、事件偵聽
1）面向組件架構
tomcat代碼看似很龐大，但從結構上看卻很清晰和簡單，它主要由一堆組件組成，如Server、Service、Connector等，並基於JMX管理這些組件，另外實現以上接口的組件也實現了代表生存期的接口Lifecycle，使其組件履行固定的生存期，在其整個生存期的過程中通過事件偵聽LifecycleEvent實現擴展。Tomcat的核心類圖如下所示：
Java高級架構——Tomcat源碼解析之整體流程介紹
1、Catalina：與開始/關閉shell腳本交互的主類，因此如果要研究啓動和關閉的過程，就從這個類開始看起。
2、Server：是整個Tomcat組件的容器，包含一個或多個Service。
3、Service：Service是包含Connector和Container的集合，Service用適當的Connector接收用戶的請求，再發給相應的Container來處理。
4、Connector：實現某一協議的連接器，如默認的有實現HTTP、HTTPS、AJP協議的。
5、Container：可以理解爲處理某類型請求的容器，處理的方式一般爲把處理請求的處理器包裝爲Valve對象，並按一定順序放入類型爲Pipeline的管道里。Container有多種子類型：Engine、Host、Context和Wrapper，這幾種子類型Container依次包含，處理不同粒度的請求。另外Container裏包含一些基礎服務，如Loader、Manager和Realm。
6、Engine：Engine包含Host和Context，接到請求後仍給相應的Host在相應的Context裏處理。
7、Host：就是我們所理解的虛擬主機。
8、Context：就是我們所部屬的具體Web應用的上下文，每個請求都在是相應的上下文裏處理的
9、Wrapper：Wrapper是針對每個Servlet的Container，每個Servlet都有相應的Wrapper來管理。
可以看出Server、Service、Connector、Container、Engine、Host、Context和Wrapper這些核心組件的作用範圍是逐層遞減，並逐層包含。
下面就是些被Container所用的基礎組件：
1、Loader：是被Container用來載入各種所需的Class。
2、Manager：是被Container用來管理Session池。
3、Realm：是用來處理安全裏授權與認證。
分析完核心類後，再看看Tomcat啓動的過程，Tomcat啓動的時序圖如下所示：
從上圖可以看出，Tomcat啓動分爲init和start兩個過程，核心組件都實現了Lifecycle接口，都需實現start方法，因此在start過程中就是從Server開始逐層調用子組件的start過程。
2）基於JMX
JMX（Java Management Extensions，即Java管理擴展）是一個爲應用程序、設備、系統等植入管理功能的框架。
Tomcat會爲每個組件進行註冊過程，通過Registry管理起來，而Registry是基於JMX來實現的，因此在看組件的init和start過程實際上就是初始化MBean和觸發MBean的start方法，會大量看到形如：
Registry.getRegistry(null, null).invoke(mbeans, "init", false);
Registry.getRegistry(null, null).invoke(mbeans, "start", false);
這樣的代碼，這實際上就是通過JMX管理各種組件的行爲和生命期。
3）事件偵聽
各個組件在其生命期中會有各種各樣行爲，而這些行爲都有觸發相應的事件，Tomcat就是通過偵聽這些時間達到對這些行爲進行擴展的目的。在看組件的init和start過程中會看到大量如：
lifecycle.fireLifecycleEvent(AFTER_START_EVENT, null);
這樣的代碼，這就是對某一類型事件的觸發，如果你想在其中加入自己的行爲，就只用註冊相應類型的事件即可。
二、一次完整請求的裏裏外外
前幾天分析了一下Tomcat的架構和啓動過程，今天開始研究它的運轉機制。Tomcat最本質就是個能運行JSP/Servlet的Web服務器 ，因此最典型的應用就是用戶通過瀏覽器訪問服務器，Tomcat接收到請求後轉發給Servlet，由Servlet處理完後，把結果返回給客戶端。今天就專門解析一下這麼一個完整的請求的內部機理。
通過DEBUG，一路跟下來，發現Tomcat處理請求的核心過程是以下幾點：
1、啓動的時候啓動預支持協議的Endpoint，Endpoint會起專門的線程監聽相應協議的請求，默認的情況下，會啓動JIoEndpoint，JIoEndpoint基於Java ServerSocket接收Http的請求
2、ServerSocket接收到客戶端請求的Socket後，一路包裝，並一路從Host一直傳遞到Wrapper，再請求到相應的Servlet
下面將重點解析以上兩個過程。
通過以前的分析（Tomcat源碼分析一）可知道當Tomcat啓動的時候會啓動Connector，此時Connector會通過ProtocolHandler把Endpoint啓動起來。默認情況下，Tomcat會啓動兩種Connector，分別是Http協議和AJP協議的，依次對應Http11Protocol和AjpProtocol，兩者都是啓動JIoEndpoint。下面看看JIoEndpoint的start方法：
public void start()
throws Exception {
// Initialize socket if not done before
if (!initialized) {
init();
}
if (!running) {
running = true;
paused = false;
// Create worker collection
if (executor == null) {
workers = new WorkerStack(maxThreads);
}
// Start acceptor threads
for (int i = 0; i < acceptorThreadCount; i++) {
Thread acceptorThread = new Thread(new Acceptor(), getName() + "-Acceptor-" + i);
acceptorThread.setPriority(threadPriority);
acceptorThread.setDaemon(daemon);
acceptorThread.start();
}
}
}以上代碼很清晰地表示啓動acceptorThreadCount個線程，每個線程由Acceptor代理，具體看看Acceptor的run方法：
protected class Acceptor implements Runnable {
/**
* The background thread that listens for incoming TCP/IP connections and
* hands them off to an appropriate processor.
*/
public void run() {
// Loop until we receive a shutdown command
while (running) {
// Loop if endpoint is paused
while (paused) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
// Ignore
}
}
// Accept the next incoming connection from the server socket
try {
Socket socket = serverSocketFactory.acceptSocket(serverSocket);
serverSocketFactory.initSocket(socket);
// Hand this socket off to an appropriate processor
if (!processSocket(socket)) {
// Close socket right away
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
// Ignore
}
}
}catch ( IOException x ) {
if ( running ) log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), x);
} catch (Throwable t) {
log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), t);
}
// The processor will recycle itself when it finishes
}
}
}由此可得到這麼一個結論：Tomcat就是通過ServerSocket監聽Socket的方式來接收客戶端請求的。找到處理請求的源頭後下面要做的是事情就簡單了，打好斷點，在瀏覽器裏請求一個最簡單的Hello world，一路debug下去。一路跟下來，主流程的時序圖如下所示：
從上圖可知，以上過程可分解成以下三個最主要的核心點：
1、基於Http1.1協議對Socket的解析和包裝
2、StandardEngineValve、StandardHostValve、StandardContextValve和StandardWrapperValve四種Valve的一路inoke。四種不同層次的Valve做了不同層次的處理和封裝
3、基於責任鏈模式ApplicationFilterChain實現Filter攔截和實際Servlet的請求
以上三個核心點都是內容非常豐富的可研究點，會在以後幾天逐一進行剖析。