Tomcat之NIO 启动与应用分析

概述

　　　　从入门Web开始一直在使用Tomcat，随着对网络相关的知识的进一步了解，觉得越有必有去阅读一下常用的开源服务器的整个工作流程，以及使用场景，对比几款服务器的优劣势、最终根据合适的业务场景进行优化。于是有了这一篇启动相关的源码分析，使用到的 Tomcat版本为  9.0.6 ，技术有限，难免出现错误，欢迎指出，也期待各路大神指点。

首先启动Tomcat方式这里采取编程的方式，maven引入坐标

        <dependency>
            <groupId>org.apache.tomcat.embed</groupId>
            <artifactId>tomcat-embed-core</artifactId>
            <version>9.0.6</version>
        </dependency>

1.启动方法

        Tomcat tomcat = new Tomcat();
        Connector connector = new Connector();
        connector.setPort(8080);
        tomcat.setConnector(connector);
        tomcat.start();
        tomcat.getServer().await();

1. Connector 的构造方法默认会使用Http11NioProtocol协议（NIO）来对客户端连接进行处理，通过反射获得其对象，赋值给 protocolHandler
2. tomcat.setConnector()会初始化一个 StandardServer和StandardService，并且将StandardServicet添加到StandardServer里，Connector添加 StandardService里，因此这里三者之间的关系就是
3. Tomcat.start() 则利用初始化的StandardServer，调用其start()方法
4. Http11Nioprotocol 协议是用来处理Nio的协议，在它的构造方法里，实例化了NioEnpoint 交给 AbstractProtocol 保管，然而真正实现Nio建立网络连接则是通过该类完成。后面细说是如何到NioEnponit的

　　Connector默认使用Nio协议

public Connector() {
        this("org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol");
    }

    public Connector(String protocol) {
        boolean aprConnector = AprLifecycleListener.isAprAvailable() &&
                AprLifecycleListener.getUseAprConnector();

        if ("HTTP/1.1".equals(protocol) || protocol == null) {
            if (aprConnector) {
                protocolHandlerClassName = "org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol";
            } else {
                protocolHandlerClassName = "org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol";
            }
        } else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) {
            if (aprConnector) {
                protocolHandlerClassName = "org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol";
            } else {
                protocolHandlerClassName = "org.apache.coyote.ajp.AjpNioProtocol";
            }
        } else {
            protocolHandlerClassName = protocol;
        }

        // Instantiate protocol handler
        ProtocolHandler p = null;
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName(protocolHandlerClassName);
            //反射获得对象
            p = (ProtocolHandler) clazz.getConstructor().newInstance();
        } catch (Exception e) {
            log.error(sm.getString(
                    "coyoteConnector.protocolHandlerInstantiationFailed"), e);
        } finally {
        }
            this.protocolHandler = p;
        }

2.LifecycleBase.start()  初始化与启动

　　

@Override
    public final synchronized void start() throws LifecycleException {
        //state默认是 LifecycleState.NEW，首次执行时，先通过init（）方法实现初始化
        if (state.equals(LifecycleState.NEW)) {
            init();
        }
        try {
            setStateInternal(LifecycleState.STARTING_PREP, null, false);
            //初始化之后，开始启动tomcat服务器
            startInternal();
　　　　　...........
    }

　　

　　

1. LifecycleBase 是 StandardServer、Connector、StandardService的父类，当StandardServer的 start() 方法被调用时，将会调用父类LifecycleBase的 start() 方法，同样的，对Connector、StandardService来说，调用 start() 方法也会调用父类的LifecycleBase的start()方法。

2. LifecycleBase 中持有 用 volatile 关键字 修饰的state 字段，该字段用来标识 Tomcat 启动时所处的状态，默认是 LifecycleState.NEW，因此进入init() 方法 
   1. 
3. 每个LifecycleState枚举类一 一对应着Tomcat 服务器的状态，每个枚举类状态又有对应的Tomcat启动的事件，可以通过实现  LifecycleListener 接口进行自定义。在Tomcat启动时会被放进 lifecycleListeners 中

public enum LifecycleState {
    NEW(false, null),
    INITIALIZING(false, Lifecycle.BEFORE_INIT_EVENT),
    INITIALIZED(false, Lifecycle.AFTER_INIT_EVENT),
    STARTING_PREP(false, Lifecycle.BEFORE_START_EVENT),
    STARTING(true, Lifecycle.START_EVENT),
    STARTED(true, Lifecycle.AFTER_START_EVENT),
    STOPPING_PREP(true, Lifecycle.BEFORE_STOP_EVENT),
    STOPPING(false, Lifecycle.STOP_EVENT),
    STOPPED(false, Lifecycle.AFTER_STOP_EVENT),
    DESTROYING(false, Lifecycle.BEFORE_DESTROY_EVENT),
    DESTROYED(false, Lifecycle.AFTER_DESTROY_EVENT),
    FAILED(false, null);

    private final boolean available;
    private final String lifecycleEvent;

3.LifecycleBase.init()  初始化StandardServer

public final synchronized void init() throws LifecycleException {
        if (!this.state.equals(LifecycleState.NEW)) {
            this.invalidTransition("before_init");
        }

        try {
            //从lifecycleListeners 获取 before_init事件进行调用
            this.setStateInternal(LifecycleState.INITIALIZING, (Object)null, false);
            this.initInternal();
            //对应 after_init 事件
            this.setStateInternal(LifecycleState.INITIALIZED, (Object)null, false);
        } catch (Throwable var2) {
            this.handleSubClassException(var2, "lifecycleBase.initFail", this.toString());
        }
    }

1. init() 方法是通过调用子类实现的initInternal() 方法来进行抽象的扩展，相当于一个没有具体实现的抽象函数，交给子类去初始化处理（这里是StandardServer 的调用过程）
2. 在初始化方法调用的前后，使用了setStateInternal() 方法进行捕捉，这里便是对 实现了 LifecycleListener 接口的监听器做了实现，在其他地方，如：start、stop 都有进行 listener 的调用

4.StandardServer.initInternal() 初始化 server

　　 @Override
    protected void initInternal() throws LifecycleException {
        super.initInternal();
        // ...... 暂时不关心中间代码
        // Initialize our defined Services
        for (int i = 0; i < services.length; i++) {
            //这里调用StandardService的init()方法
            services[i].init();
        }
    }

1. 和 步骤3 处理逻辑大致相同，init()方法里 是通过调用子类实现的 initInternal() 方法来初始化，同样的捕捉初始化的前后事件  before_init、after_init

5. StandardService.initInternal()  初始化service

@Override
    protected void initInternal() throws LifecycleException {
        super.initInternal();
        //省略若干......
        // Initialize our defined Connectors
        synchronized (connectorsLock) {
            for (Connector connector : connectors) {
                //此处调用connector进行初始化
                connector.init();
            }
        }
    }

1. 此处同理，调用 connector.init(),通过父类调用子类实现的 钩子函数 initInternal() 来初始化Connector

6.Connector.initInternal() 初始化connector

　　

@Override
    protected void initInternal() throws LifecycleException {

        super.initInternal();
        //省略若干..............
        try {
            //初始化 Http11NioProtocol协议
            protocolHandler.init();
        } catch (Exception e) {
            throw new LifecycleException(
                    sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerInitializationFailed"), e);
        }
    }

1. protocolHandler是我们在实例化 Connector 时，使用 默认的Http11NioProtocol协议。
2. 其init()方法，则在父类 AbstractProtocol 中实现

6.AbstractProtocol.init()  初始化协议

　　

    @Override
    public void init() throws Exception {
        if (getLog().isInfoEnabled()) {
            getLog().info(sm.getString("abstractProtocolHandler.init", getName()));
        }

        //省略若干行...

        String endpointName = getName();
        endpoint.setName(endpointName.substring(1, endpointName.length()-1));
        endpoint.setDomain(domain);
        //初始化NioEndpoint
        endpoint.init();
    }

1. NioEndpoint 的init() 方法，在其父类AbstractEndpoint中实现，用来把公共的抽象到父类中实现（如注册JMX），
2. 然后再提供给子类bind() 方法，通过实现该方法来完成一次函数的回调

public final void init() throws Exception {
        if (bindOnInit) {
            //交给子类实现
            bind();
            bindState = BindState.BOUND_ON_INIT;
        }
        if (this.domain != null) {
            // Register endpoint (as ThreadPool - historical name)
            oname = new ObjectName(domain + ":type=ThreadPool,name=\"" + getName() + "\"");
            Registry.getRegistry(null, null).registerComponent(this, oname, null);

            for (SSLHostConfig sslHostConfig : findSslHostConfigs()) {
                registerJmx(sslHostConfig);
            }
        }
    }

7. NioEndpoint.bind()

@Override
    public void bind() throws Exception {
        //初始化ServerSocker
        initServerSocket();

        // Initialize thread count defaults for acceptor, poller
        //如果acceptor线程个数小于0，则默认为1
        if (acceptorThreadCount == 0) {
            // FIXME: Doesn't seem to work that well with multiple accept threads
            acceptorThreadCount = 1;
        }
        //如果poller线程数小于0，则默认为1
        if (pollerThreadCount <= 0) {
            //minimum one poller thread
            pollerThreadCount = 1;
        }

        //获取一个栅栏，通过AQS实现的一个共享锁
        setStopLatch(new CountDownLatch(pollerThreadCount));

        // Initialize SSL if needed
        //初始化ssl配置
        initialiseSsl();

        selectorPool.open();
    }

1. 第一步初始化Socket线程

1. 调用initServerSocket()方法，初始化Socket线程，可见这里线程为阻塞，目的能解释得通的也就是为了操作方便，但后续建立连接后的socket，会设为非阻塞的
2. 初始化accptor与poller线程个数（分别为1 , 2) 
3. 获取栅栏 CountDownLatch，用于在在高并发的场景时，允许并发请求个数最大值，默认 10000
4. 这里需要提出一个Acceptor 和 Poller 的概念。Acceptor主要的职责就是监听是否有客户端套接字连接，并接收套接字，连接之后，把Socket 注册到Poller轮询器中的Selector中，如图

总结：

　　到此为止初始化的过程已经结束，大致过程也就是通过把公共的东西交给高度抽象的父类处理，然后父类去调用提供给子类实现的回调函数，此时利用组合模式，在每次初始化对象完毕之后，再将其持有的对象调用其共同的父类的初始化方法，这样便十分简洁。后续将继续回到StandardServer的父类调用init()方法完毕时继续往下走，执行 startInternal（）方法，但大致也与init 时相同，便将核心的加载方法拿出来。

8. NioEndpoint. startInternal()  启动Nio相关线程池

　　

@Override
    public void startInternal() throws Exception {
        if (!running) {
            running = true;
            paused = false;
            //处理连接时缓存用
            processorCache = new SynchronizedStack<>(SynchronizedStack.DEFAULT_SIZE,
                    socketProperties.getProcessorCache());
            eventCache = new SynchronizedStack<>(SynchronizedStack.DEFAULT_SIZE,
                    socketProperties.getEventCache());
            nioChannels = new SynchronizedStack<>(SynchronizedStack.DEFAULT_SIZE,
                    socketProperties.getBufferPool());

            //创建工作的线程池，默认最小10，最大200
            // Create worker collection
            if ( getExecutor() == null ) {
                createExecutor();
            }

            initializeConnectionLatch();

            //创建 2个 Poller 线程
            // Start poller threads
            pollers = new Poller[getPollerThreadCount()];
            for (int i=0; i<pollers.length; i++) {
                pollers[i] = new Poller();
                Thread pollerThread = new Thread(pollers[i], getName() + "-ClientPoller-"+i);
                pollerThread.setPriority(threadPriority);
                pollerThread.setDaemon(true);
                pollerThread.start();
            }
            //启动1个Acceptor线程
            startAcceptorThreads();
        }
    }

1. 到此为止,Tomcat便已经启动完成。这里一共启动了 1个Acceptor线程，2个poller线程，10个work线程（启动时，不考虑有连接数并发超过10个任务）