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万字详解 Tomcat 组成与工作原理

程序IT圈 | 程序员编程技术 2021/10/14 14:43

Tomcat 是什么

开源的 Java Web 应用服务器,实现了 Java EE(Java Platform Enterprise Edition)的部分技术规范,比如 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,除了上述的之外,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 容器的实现情况,Tomcat 和 Jetty 都只提供了 Java Web 容器必需的 Servlet 和 JSP 规范,开发者要想实现其他的功能,需要自己依赖其他开源实现。

Glassfish 是由 Sun 公司推出,Java EE 最新规范出来之后,首先会在 Glassfish 上进行实 现,所以是研究 Java EE 最新技术的首选。

最常见的情况是使用 Tomcat 作为 Java Web 服务器,使用 Spring 提供的开箱即用的强大 的功能,并依赖其他开源库来完成负责的业务功能实现。

Servlet 容器

Tomcat 组成如下图:主要有 Container 和 Connector 以及相关组件构成。

  • 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,但是共享 同一 JVM 的资源;

  • Connector:Tomcat 与外部世界的连接器,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,通过 JMX 可以远程监控 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:负责管理和创建 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作用,管道中可以设置各种 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,使得我们可以用名称访问对象,目录服务也是一种命名 服务,对象不但有名称,还有属性。Tomcat 中可以使用 JNDI 定义数据源、配置信息,用于开发与部署的分离。

Container 组成

  • 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 的创建;

  • Context:Web 应用上下文,包含多个 Wrapper,负责 Web 配置的解析、管 理所有的 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

Tomcat 为了方便管理组件和容器的生命周期,定义了从创建、启动、到停止、销毁共 12 中状态,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 方法即可完成各生命周期内的操作(initInternal、startInternal、stopInternal、 destroyInternal)。

比如执行初始化操作时,会判断当前状态是否 New,如果不是,则抛出生命周期异常;如果是,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,监听器通过判断事件的类型来进行相应的操作。事件监听器的添加可以在 server.xml 文件中进行配置。

Tomcat 各类容器的配置过程就是通过添加 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:主要打印启动和停止日志

  • HostConfig:主要处理部署应用,解析应用 META-INF/context.xml 并创建应用的 Context

  • ContextConfig:主要解析并合并 web.xml,扫描应用的各类 Eeb 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 方法会通过 Digester 进行 config/server.xml 的解析,在解析的过程中会根据 xml 中的关系和配置信息来创建容器,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,每层容器有持有自己的子容器,而这些元素都实现了生命周期管理 的各个方法,因此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),如果接收到 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。

所有容器都是继承自 ContainerBase,基类中封装了容器中的重复工作,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,通过线程池 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<Void>> results = new ArrayList<Future<Void>>();

for (int i = 0; i < children.length; i++) {

    results.add(startStopExecutor.submit(new StartChild(children[i])));

}

boolean fail = false;

for (Future<Void> result :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:工作目录

  • 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 路径下的所有文件夹和 war 包,解析各个应用的 META-INF/context.xml,并创建 StandardContext,并将 Context 加入到 Host 的子容器中。

  • 解析 $catalina.base/EngineName/HostName/ 下的所有 Context 配置,找到相应 Web 应用的位置,解析各个应用的 META-INF/context.xml,并创建 StandardContext,并将 Context 加入到 Host 的子容器中。

注:

  • HostConfig 并没有实际解析 Context.xml,而是在 ContextConfig 中进行的。

  • HostConfig 中会定期检查 watched 资源文件(context.xml 配置文件)

C ontextConfig 解析 context.xml 顺序:

  • 先解析全局的配置 config/context.xml

  • 然后解析 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

  • 然后解析 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。

  • 容器的定期执行:backgroundProcess,由 ContainerBase 来实现的,并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。

  1. 请求到达 server 端,server 根据 url 映射到相应的 Servlet

  2. 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

  3. Server 分别创建 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)

  4. doXXX 方法内为业务逻辑实现,从 Request 对象获取请求参数,处理完毕之后将结果通过 response 对象返回给调用方

  5. 当 Server 不再需要 Servlet 时(一般当 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

  1. 根据 server.xml 配置的指定的 connector 以及端口监听 http、或者 ajp 请求

  2. 请求到来时建立连接,解析请求参数,创建 Request 和 Response 对象,调用顶层容器 Pipeline 的 invoke 方法

  3. 容器之间层层调用,最终调用业务 servlet 的 service 方法

  4. Connector 将 response 流中的数据写到 socket 中

Pipeline 与 Valve

Pipeline 可以理解为现实中的管道,Valve 为管道中的阀门,Request 和 Response 对象在管道中经过各个阀门的处理和控制。

每个容器的管道中都有一个必不可少的 basic valve,其他的都是可选的,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,本身 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,创建其实例,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,然后销毁 servlet 实例

JSP元素

  • 代码片段:<% 代码片段 %>

  • JSP声明:<%! declaration; [ declaration; ]+ ... %>

  • JSP表达式:<%= 表达式 %>

  • JSP注释:<%-- 注释 --%>

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

  • JSP行为:<jsp:action_name attribute=“value” />

  • 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

  • 代码片段:包含任意量的 Java 语句、变量、方法或表达式

  • JSP 声明:一个声明语句可以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:为代码作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,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,可以是自定义标签

  • JSP 行为:jsp:include、jsp:useBean、jsp:setProperty、jsp:getProperty、jsp:forward

JSP 解析过程

  • 代码片段: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:根据不同指令进行区分,include:对引入的文件进行解析;page 相关的属性会做为 JSP 的属性,影响的是解析和请求处理时的行为

  • JSP 行为:不同的行为有不同的处理方式,jsp:useBean 为例,会从 pageContext 根据 scope 的 类别获取 bean 对象,如果没有会创建 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他程序与 Web 服务器之间的应用层通信协议

  • 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作和写操作的系统调用时,如果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,这样就能使得应用可以同时监听多个 socket,释放了应用线程资源。

Tomcat 各类 Connector 对比

Connector 的实现模式有三种,分别是 BIO、NIO、APR,可以在 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 具有许多用途,包括访问高级 IO 功能(如 sendfile,epoll 和 OpenSSL),操作系统级功能(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:轮询的最大连接数

  • 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,所以在 keep-alive=true 的情况下处理的并发连接数有限

  • Read Request Headers:由于 request header 数据较少,可以由容器提前解析完毕,不需要阻塞

  • 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,是需要阻塞读取的

  • Write Response:跟读取 request body 的逻辑类似,同样需要阻塞写

NIO处理相关类

Acceptor 线程负责接收连接,调用 accept 方法阻塞接收建立的连接,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,如果有可读的 Socket 则创建 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,内部创建 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 出来之前,如果不使用 comet,只能通过浏览器端轮询 Server 来模拟实现服务器端推送。Comet 支持 servlet 异步处理 IO,当连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:新的请求连接接入调用,可进行与 Request 和 Response 相关的对象初始化操作,并保存 response 对象,用于后续写入数据

  • Read:请求连接有数据可读时调用

  • End:当数据可用时,如果读取到文件结束或者 response 被关闭时则被调用

  • Error:在连接上发生异常时调用,数据读取异常、连接断开、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,如果read没有读取数据,在会触发Error回调,关闭socket

  • End:当socket超时,并且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,其他都会关闭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:在事件触发时要做好线程安全的操作

异步 Servlet

传统流程:

  • 首先,Servlet 接收到请求之后,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,然后返回

  • 任何方式存在的容器线程都将退出,但是 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,线程本身返回至容器,此时 Servlet 还没有生成响应数据,异步线程处理完业务以后,可以直接生成响应数据(异步线程拥有 ServletRequest 和 ServletResponse 对象的引用)

为什么 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:比如一次缓慢的数据库查询,一次外部 REST API 调用,或者是其他一些 I/O 密集型操作。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 仍然像任何其他的 HTTP 的 request-response 交互一样,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,就不可再操作 request 和 response。


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