分析Tomcat的工作原理

2023-07-16 18:12:03 67

SpringBoot就像一条巨蟒，慢慢缠绕着我们，使我们麻痹。不得不承认，使用了SpringBoot确实提高了工作效率，但同时也让我们遗忘了很多技能。刚入社会的时候，我还是通过Tomcat手动部署JavaWeb项目，还经常对Tomcat进行性能调优。除此之外，还需要自己理清楚各Jar之间的关系，以避免Jar丢失和各版本冲突导致服务启动异常的问题。到如今，这些繁琐而又重复的工作已经统统交给SpringBoot处理，我们可以把更多的精力放在业务逻辑上。但是，清楚Tomcat的工作原理和处理请求流程和分析Spring框架源码一样的重要。至少面试官特别喜欢问这些底层原理和设计思路。希望这篇文章能给你一些帮助。

Tomcat整体架构

Tomcat是一个免费的、开源的、轻量级的Web应用服务器。适合在并发量不是很高的中小企业项目中使用。

文件目录结构

以下是Tomcat8主要目录结构

目录	功能说明
bin	存放可执行的文件，如startup和shutdown
conf	存放配置文件，如核心配置文件server.xml和应用默认的部署描述文件web.xml
lib	存放Tomcat运行需要的jar包
logs	存放运行的日志文件
webapps	存放默认的web应用部署目录
work	存放web应用代码生成和编译文件的临时目录

功能组件结构

Tomcat的核心功能有两个，分别是负责接收和反馈外部请求的连接器Connector，和负责处理请求的容器Container。其中连接器和容器相辅相成，一起构成了基本的web服务Service。每个Tomcat服务器可以管理多个Service。

组件	功能
Connector	负责对外接收反馈请求。它是Tomcat与外界的交通枢纽，监听端口接收外界请求，并将请求处理后传递给容器做业务处理，最后将容器处理后的结果反馈给外界。
Container	负责对内处理业务逻辑。其内部由Engine、Host、Context和Wrapper四个容器组成，用于管理和调用Servlet相关逻辑。
Service	对外提供的Web服务。主要包含连接器和容器两个核心组件，以及其他功能组件。Tomcat可以管理多个Service，且各Service之间相互独立。

Tomcat连接器核心原理

Tomcat连接器框架——Coyote

连接器核心功能

一、监听网络端口，接收和响应网络请求。

二、网络字节流处理。将收到的网络字节流转换成TomcatRequest再转成标准的ServletRequest给容器，同时将容器传来的ServletResponse转成TomcatResponse再转成网络字节流。

连接器模块设计

为满足连接器的两个核心功能，我们需要一个通讯端点来监听端口；需要一个处理器来处理网络字节流；最后还需要一个适配器将处理后的结果转成容器需要的结构。

组件	功能
Endpoint	端点，用来处理Socket接收和发送的逻辑。其内部由Acceptor监听请求、Handler处理数据、AsyncTimeout检查请求超时。具体的实现有NioEndPoint、AprEndpoint等。
Processor	处理器，负责构建TomcatRequest和Response对象。具体的实现有Http11Processor、StreamProcessor等。
Adapter	适配器，实现TomcatRequest、Response与ServletRequest、ServletResponse之间的相互转换。这采用的是经典的适配器设计模式。
ProtocolHandler	协议处理器，将不同的协议和通讯方式组合封装成对应的协议处理器，如Http11NioProtocol封装的是HTTP+NIO。

对应的源码包路径org.apache.coyote。对应的结构图如下

Tomcat容器核心原理

Tomcat容器框架——Catalina

容器结构分析

每个Service会包含一个容器。容器由一个引擎可以管理多个虚拟主机。每个虚拟主机可以管理多个Web应用。每个Web应用会有多个Servlet包装器。Engine、Host、Context和Wrapper，四个容器之间属于父子关系。

容器	功能
Engine	引擎，管理多个虚拟主机。
Host	虚拟主机，负责Web应用的部署。
Context	Web应用，包含多个Servlet封装器。
Wrapper	封装器，容器的最底层。对Servlet进行封装，负责实例的创建、执行和销毁功能。

对应的源码包路径org.apache.coyote。对应的结构图如下

容器请求处理

容器的请求处理过程就是在Engine、Host、Context和Wrapper这四个容器之间层层调用，最后在Servlet中执行对应的业务逻辑。各容器都会有一个通道Pipeline，每个通道上都会有一个BasicValve（如StandardEngineValve），类似一个闸门用来处理Request和Response。其流程图如下。

Tomcat请求处理流程

上面的知识点已经零零碎碎地介绍了一个Tomcat是如何处理一个请求。简单理解就是连接器的处理流程+容器的处理流程=Tomcat处理流程。哈！那么问题来了，Tomcat是如何通过请求路径找到对应的虚拟站点？是如何找到对应的Servlet呢？

映射器功能介绍

这里需要引入一个上面没有介绍的组件Mapper。顾名思义，其作用是提供请求路径的路由映射。根据请求URL地址匹配是由哪个容器来处理。其中每个容器都会它自己对应的Mapper，如MappedHost。不知道大家有没有回忆起被Mapperclassnotfound支配的恐惧。在以前，每写一个完整的功能，都需要在web.xml配置映射规则，当文件越来越庞大的时候，各个问题随着也会出现

HTTP请求流程

打开tomcat/conf目录下的server.xml文件来分析一个http://localhost:8080/docs/api请求。

第一步：连接器监听的端口是8080。由于请求的端口和监听的端口一致，连接器接受了该请求。

第二步：因为引擎的默认虚拟主机是localhost，并且虚拟主机的目录是webapps。所以请求找到了tomcat/webapps目录。

第三步：解析的docs是web程序的应用名，也就是context。此时请求继续从webapps目录下找docs目录。有的时候我们也会把应用名省略。

第四步：解析的api是具体的业务逻辑地址。此时需要从docs/WEB-INF/web.xml中找映射关系，最后调用具体的函数。

SpringBoot如何启动内嵌的Tomcat

SpringBoot一键启动服务的功能，让有很多刚入社会的朋友都忘记Tomcat是啥。随着硬件的性能越来越高，普通中小项目都可以直接用内置Tomcat启动。但是有些大一点的项目可能会用到Tomcat集群和调优，内置的Tomcat就不一定能满足需求了。

我们先从源码中分析SpringBoot是如何启动Tomcat，以下是SpringBoot2.x的代码。

代码从main方法开始，执行run方法启动项目。

SpringApplication.run

从run方法点进去，找到刷新应用上下文的方法。

this.prepareContext(context,environment,listeners,applicationArguments,printedBanner);
this.refreshContext(context);
this.afterRefresh(context,applicationArguments);

从refreshContext方法点进去，找refresh方法。并一层层往上找其父类的方法。

this.refresh(context);

在AbstractApplicationContext类的refresh方法中，有一行调用子容器刷新的逻辑。

this.postProcessBeanFactory(beanFactory);
this.invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
this.registerBeanPostProcessors(beanFactory);
this.initMessageSource();
this.initApplicationEventMulticaster();
this.onRefresh();
this.registerListeners();
this.finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
this.finishRefresh();

从onRefresh方法点进去，找到ServletWebServerApplicationContext的实现方法。在这里终于看到了希望。

protectedvoidonRefresh(){
super.onRefresh();

try{
this.createWebServer();
}catch(Throwablevar2){
thrownewApplicationContextException("Unabletostartwebserver",var2);
}
}

从createWebServer方法点进去，找到从工厂类中获取WebServer的代码。

if(webServer==null&&servletContext==null){
ServletWebServerFactoryfactory=this.getWebServerFactory();
//获取webserver
this.webServer=factory.getWebServer(newServletContextInitializer[]{this.getSelfInitializer()});
}elseif(servletContext!=null){
try{
//启动webserver
this.getSelfInitializer().onStartup(servletContext);
}catch(ServletExceptionvar4){
thrownewApplicationContextException("Cannotinitializeservletcontext",var4);
}
}

从getWebServer方法点进去，找到TomcatServletWebServerFactory的实现方法，与之对应的还有Jetty和Undertow。这里配置了基本的连接器、引擎、虚拟站点等配置。

publicWebServergetWebServer(ServletContextInitializer...initializers){
Tomcattomcat=newTomcat();
FilebaseDir=this.baseDirectory!=null?this.baseDirectory:this.createTempDir("tomcat");
tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath());
Connectorconnector=newConnector(this.protocol);
tomcat.getService().addConnector(connector);
this.customizeConnector(connector);
tomcat.setConnector(connector);
tomcat.getHost().setAutoDeploy(false);
this.configureEngine(tomcat.getEngine());
Iteratorvar5=this.additionalTomcatConnectors.iterator();

while(var5.hasNext()){
ConnectoradditionalConnector=(Connector)var5.next();
tomcat.getService().addConnector(additionalConnector);
}

this.prepareContext(tomcat.getHost(),initializers);
returnthis.getTomcatWebServer(tomcat);
}

服务启动后会打印日志

o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer:Tomcatinitializedwithport(s):8900(http)
o.apache.catalina.core.StandardService:Startingservice[Tomcat]
org.apache.catalina.core.StandardEngine:StartingServletEngine:ApacheTomcat/8.5.34
o.a.catalina.core.AprLifecycleListener:TheAPRbasedApacheTomcatNativelibrarywhichallowsoptimal...
o.a.c.c.C.[Tomcat].[localhost].[/]:InitializingSpringembeddedWebApplicationContext
o.s.web.context.ContextLoader:RootWebApplicationContext:initializationcompletedin16858ms

END

文章到这里就结束了，实在是hold不住了，周末写了一整天还没有写到源码部分，只能放在下一章了。再写真的就要废了，有什么不对的地方请多多指出

以上就是Tomcat的工作原理是怎样的的详细内容，更多关于Tomcat工作原理的资料请关注毛票票其它相关文章！

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