Tomcat剖析（五）：Tomcat 容器

Tomcat剖析（五）：Tomcat 容器

• 1. Tomcat剖析（一）：一个简单的Web服务器
• 2. Tomcat剖析（二）：一个简单的Servlet服务器
• 3. Tomcat剖析（三）：连接器(1)
• 4. Tomcat剖析（三）：连接器(2)
• 5. Tomcat剖析（四）：Tomcat默认连接器(1)
• 6. Tomcat剖析（四）：Tomcat默认连接器(2)
• 7. Tomcat剖析（五）：容器

第一部分：概述

这一节基于《深度剖析Tomcat》第五章:容器 总结而成

一定要先到我的github上下载本书相关的代码，同时去上网下载这本书。

看了不懂的欢迎加我QQ一起探讨或者在博客下评论发问。

时隔两个多月，中间包括了学校的期末考试月和一些琐粹的事情。

这一部分会先给大家先总结一下Tomcat连接器的相关内容，然后是 Tomcat 容器的总体介绍，最后在下一部分进入本章的主题： Tomcat 容器 的详细讲解。

Tomcat 连接器总结

我们都知道 Catalina 的核心组件包括 连接器和容器，那连接器是干嘛的呢？前面讲过，总的来说就是等待用户的请求，接收用户请求，解析请求，封装成请求对象和响应对象，然后将请求和响应对象交给容器处理。

整个过程的细节包括了创建ServerSocket对象，创建处理器池，在每个处理器内创建请求和响应对象，然后启动所有处理器线程(阻塞，因为没有请求到达，无法处理)，然后等待用户请求(阻塞), 用户请求到来时，获取其中一个处理器线程，将socket交给处理器处理，以唤醒处理器线程(利用available变量)，让处理器线程解析请求，具体方法是解析端口，解析请求头等信息，解析完后交给容器真正处理请求的内容(如servlet，就是调用我们常说的invoke方法)，处理完后就讲处理器的所有变量恢复到未被使用前，最后回收回线程池。

connector.getContainer().invoke(request, response);

Tomcat 容器概述

前面几节我们都在学习 Tomcat连接器是如何实现的，也学到了它实现的巧妙之处，而这一节我们要开始学习Tomcat的另一个组件：容器。和连接器一样，容器有着不可忽略的作用，我们看到连接器从头到尾都是在做一些基础的工作，从等待请求到解析请求，却没有参与到处理用户真正想要的东西(如servlet要进行某些操作)，所以说容器是连接器基础工作做完后，做真正的请求处理操作(加载servlet)。看到我们上面的连接器总结没，invoke方法就是本节我们要讲解的重中之重----获取容器执行invoke方法。

容器是一个处理用户 servlet 请求并返回对象给 web 用户的模块。org.apache.catalina.Container 接口定义了容器的形式，有四种容器： Engine（引擎） , Host（主机） , Context（上下文） , 和 Wrapper（包装器）。

我也按照书上的逻辑，先介绍Context和Wrapper，其它两个留以后讲解。

对于 Catalina 的容器首先需要注意的是它一共有四种不同的容器：

• Engine：表示整个 Catalina 的 servlet 引擎
• Host：表示一个拥有数个上下文的虚拟主机
• Context：表示一个 Web 应用，一个 context 包含一个或多个wrapper
• Wrapper：表示一个独立的 servlet

它们的标准实现是 StandardEngine,StandardHost, StandardContext, and StandardWrapper，它们都是org.apache.catalina.core 包的一部分，这些类都扩展了抽象类 ContainerBase。

要实现一个容器，首先必须要实现 org.apache.catalina.Container 接口。从上一节的连接器讲解中我们也看到了ex04.pyrmont.core.SimpleContainer 也实现了Container接口，实现了简单的servlet的功能

public class SimpleContainer implements Container {
    public void invoke(Request request, Response response) throws IOException,
        ServletException {

        //中间省略
    }

}

同时，我们需要知道的是并不是每一个功能都需要用到四种容器，下面的程序中会看到。

一个容器可以有一个或多个低层次上的子容器，例如，一个 Context 有一个或多个 wrapper，而 wrapper 作为容器层次中的最底层，不能包含子容器。可以使用在 Container 接口中定义的 addChild()方法，wrapper调用会抛出异常。

容器的整个处理流程通过一个叫做Pipeline(流水线)的接口实现，这个接口的功能是放置一些Valve(阀门)，这些阀门的功能是执行一些基础功能操作，比如记录日志，记录ip等，像流水线一样，通过阀门上下文接口(ValveContext)调用下一个阀门，最后进入一个基础阀门，实现用户真正的请求。我估计如果之前没学过容器的相关内容是看不懂我再说什么的，第二部分再讲解。

Tomcat 容器核心接口：

Pipeline： 一个 pipeline 包含了改容器要唤醒的所有任务。每一个阀门表示了一个特定的任务。一个容器的流水线有一个基本的阀门，但是你可以添加任意你想要添加的阀门。阀门的数目定义为添加的阀门的个数（不包括基本阀门）。

Valve：阀门接口表示一个阀门，该组件负责处理请求。

ValveContext： 用于切换到下一个阀门

Contained：一个阀门可以选择性的实现 org.apache.catalina.Contained 接口。该接口定义了其实现类跟一个容器相关联。包含 getContainer和setContainer 方法

Wrapper：org.apache.catalina.Wrapper 接口表示了一个包装器。一个包装器是表示一个独立 servlet 定义的容器。包装器继承了 Container 接口，并且添加了几个方法。包装器的实现类负责管理其下层 servlet 的生命周期，包括 servlet 的 init,service,和 destroy 方法。

Context：一个 context 在容器中表示一个 web 应用。一个 context 通常含有一个或多个包装器作为其子容器。

希望大家看到不懂的不要沮丧，通过下面的讲解，大家应该都能明白吧。 这里省略了所有连接器的内容，从invoke方法开始讲起。

第二部分：详细讲解

为了模拟容器的实现，容器，流水线等都是用ex05.pyrmont包下相关的类，如SimpleWrapper等，而不是去查看StandardWrapper源代码

启动类Bootstrap1.java

同样的我们先接触启动类ex05.pyrmont.startup.Bootstrap1.java，这个类是对单个servlet的处理，所以可以看到只用了wrapper，没有用到context。如果我们要访问，可以用localhost:8080/ModernServlet

public final class Bootstrap1 {

  public static void main(String[] args) {

    HttpConnector connector = new HttpConnector();
    //定义一个包装器类(容器)，实际上connector.getContainer().invoke(request, response);
　　//就是调用SimpleWrapper对象的invoke方法
    Wrapper wrapper = new SimpleWrapper();
    wrapper.setServletClass("ModernServlet");

    //定义一个类加载器
    Loader loader = new SimpleLoader();
    //下面就是两个阀门
    Valve valve1 = new HeaderLoggerValve();
    Valve valve2 = new ClientIPLoggerValve();
    //容器绑定类加载器
    wrapper.setLoader(loader);
    //容器添加阀门
    ((Pipeline) wrapper).addValve(valve1);
    ((Pipeline) wrapper).addValve(valve2);

    //连接器绑定容器，就是connector.getContainer().invoke时要将请求交给容器处理
    connector.setContainer(wrapper);

    try {
        //下面两个方法是连接器相关内容，不再重复
      connector.initialize();
      connector.start();

      // make the application wait until we press a key.
      System.in.read();
    }
    catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

当然，直接看注释是没用的，因为我们不清楚我们为什么要这样做。不急，下面慢慢讲解。记得不断调回这个类整理逻辑哦

SimpleWrapper.java

这个类算是本节比较重要的类了，大部分的接口都可以在这里看到。 SimpleWrapper是invoke出现的地方。

补充说明在代码后面

下面贴上比较重要的代码和相应注释

public class SimpleWrapper implements Wrapper, Pipeline {

  // the servlet instance
  private Servlet instance = null;//加载到的servlet实例
  private String servletClass;
  private Loader loader;//类加载器
  private String name;
    //从一开始就绑定创建的流水线是该容器
  private SimplePipeline pipeline = new SimplePipeline(this);
  protected Container parent = null;

  public SimpleWrapper() {
    //其实我们在创建SimpleWrapper对象时就设置流水线的基础阀门，通过setBasic
    pipeline.setBasic(new SimpleWrapperValve());
  }

  public synchronized void addValve(Valve valve) {
    //为流水线添加其他Valve
    pipeline.addValve(valve);
  }
    //这个方法的作用是加载Servlet，获取到Servlet实例
    public Servlet allocate() throws ServletException {
    // Load and initialize our instance if necessary
    if (instance==null) {
      try {
        instance = loadServlet();
      }
      catch (ServletException e) {
        throw e;
      }
      catch (Throwable e) {
        throw new ServletException("Cannot allocate a servlet instance", e);
      }
    }
    return instance;
  }
 //具体加载servlet的方法
  private Servlet loadServlet() throws ServletException {
    if (instance!=null)
      return instance;

    Servlet servlet = null;
    String actualClass = servletClass;
    if (actualClass == null) {
      throw new ServletException("servlet class has not been specified");
    }

    Loader loader = getLoader();//获取到我们定义的类加载器类SimpleLoader，定义和我们需要的加载方式
    // Acquire an instance of the class loader to be used
    if (loader==null) {
      throw new ServletException("No loader.");
    }
    ClassLoader classLoader = loader.getClassLoader();

    // Load the specified servlet class from the appropriate class loader
    Class classClass = null;
    try {
      if (classLoader!=null) {
        classClass = classLoader.loadClass(actualClass);//加载servlet
      }
    }
    catch (ClassNotFoundException e) {
      throw new ServletException("Servlet class not found");
    }
    // Instantiate and initialize an instance of the servlet class itself
    try {
      servlet = (Servlet) classClass.newInstance();//创建servlet实例
    }
    catch (Throwable e) {
      throw new ServletException("Failed to instantiate servlet");
    }

    // Call the initialization method of this servlet
    try {
//这里调用了servlet的初始化方法，所有跟我们以前学过的知识一样，init方法只调用一次
      servlet.init(null);
    }
    catch (Throwable f) {
      throw new ServletException("Failed initialize servlet.");
    }
    return servlet;
  }
//就是调用这个invoke方法
 public void invoke(Request request, Response response)
    throws IOException, ServletException {
    pipeline.invoke(request, response);
  }

这个类里面有几个比较关心的方法：

• invoke方法：我们讲解的入口
• addValve方法：添加阀门，其中基础阀门在创建SimpleWrapper实例时就设置了
• allocate方法：获取类加载器，获取servlet实例

invoke方面里面的是pipeline.invoke(request, response)，前面我们说到，Pineline的作用是负责处理多个任务，

有的人就认为为什么不直接调用我们的Valve，甚至说不直接去掉Pineline，这里我要说一下，我们不能简简单单的认为容器就只是处理我们要做的任务，还有很多任务要做的，比如记录是什么IP操作过的，这些就像我们程序中用的拦截器一样，需要先经过很多的中间步骤。所以回到Bootstrap1.java中的addValve操作，和setLoader方法，可以理解了吧。当然，addValve要真正理解需要继续看下去

那流水线的invoke是如何实现多个任务按顺序处理执行的呢?

SimplePipeline.java

SimpleWrapper.java中一开始就创建流水线对象，并绑定容器为SimpleWrapper，因为invoke中要用到

pipeline.invoke(request, response);

下面查看部分关键代码

public class SimplePipeline implements Pipeline {

 public void invoke(Request request, Response response)
    throws IOException, ServletException {
    // Invoke the first Valve in this pipeline for this request
    (new SimplePipelineValveContext()).invokeNext(request, response);
  }
//添加阀门
 public void addValve(Valve valve) {
        if (valve instanceof Contained)
          ((Contained) valve).setContainer(this.container);

        synchronized (valves) {
          Valve results[] = new Valve[valves.length +1];
          System.arraycopy(valves, 0, results, 0, valves.length);
          results[valves.length] = valve;
          valves = results;
        }
}
public void setBasic(Valve valve) {
    this.basic = valve;
    ((Contained) valve).setContainer(container);
}
//SimplePipeline的内部类，实现ValveContext接口，负责切换到下一个阀门
protected class SimplePipelineValveContext implements ValveContext {

    protected int stage = 0;

    public String getInfo() {
      return null;
    }

    public void invokeNext(Request request, Response response)
      throws IOException, ServletException {
      int subscript = stage;
      stage = stage + 1;
      // Invoke the requested Valve for the current request thread
      if (subscript < valves.length) {//先调用设置的阀门
        valves[subscript].invoke(request, response, this);
      }
      else if ((subscript == valves.length) && (basic != null)) {
        basic.invoke(request, response, this);//最后才是basic阀门
      }
      else {
        throw new ServletException("No valve");
      }
    }
  } // end of inner class

}

需要注意的是：我专门加setBasic方法作为关键代码贴出来，是为了提醒大家SimplePineline上在SimpleWrapper中已经设置了基本Valve,

我们看到SimplePipeline的invoke方法里面是创建一个内部类SimplePipelineValveContext对象：这个对象负责流水线上阀门Valve的切换，这个内部类实现了ValveContext接口，ValveContext接口中其中一个方法是invokeNext方法，用来调取下一个Valve，具体的实现也不难

• invokeNext 方法使用下标（subscript）和级别（ stage）记住哪个阀门被唤醒。当第一次唤醒的时候，下标的值是 0，级的值是 1。第一次，第一个阀门被唤醒，流水线的阀门获得 ValveContext 实例调用它的 invokeNext 方法。这时下标的值是 1 所以下一个阀门被唤醒，然后一步步的进行。

下一小节，我们先选择其中一个阀门讲解

HeaderLoggerValve.java

这个类实现了Valve接口和Contained接口，我们知道Valve的接口功能是负责处理请求，所以接口里面有invoke方法

public void invoke(Request request, Response response,
                       ValveContext context)
        throws IOException, ServletException;

HeaderLoggerValve.java是用来输出请求头的内容。

public class HeaderLoggerValve implements Valve, Contained {

  protected Container container;

  public void invoke(Request request, Response response, ValveContext valveContext)
    throws IOException, ServletException {

    // Pass this request on to the next valve in our pipeline
    valveContext.invokeNext(request, response);//执行下一个阀门

    System.out.println("Header Logger Valve");
    ServletRequest sreq = request.getRequest();
    if (sreq instanceof HttpServletRequest) {
      HttpServletRequest hreq = (HttpServletRequest) sreq;
      Enumeration headerNames = hreq.getHeaderNames();
      while (headerNames.hasMoreElements()) {
        String headerName = headerNames.nextElement().toString();
        String headerValue = hreq.getHeader(headerName);
        System.out.println(headerName + ":" + headerValue);
      }

    }
    else
      System.out.println("Not an HTTP Request");

    System.out.println("------------------------------------");
  }
}

invoke(Request request, Response response, ValveContext context)方法中需要注意的是第三个参数ValveContext context， 我们会看到SimplePipeline里面传递了this引用，在某个阀门调用context的invokeNext方法时

valveContext.invokeNext(request, response);

以保证下标（subscript）和级别（stage）的值是正确的(因为是同一个引用)，下一次执行的阀门就是valve[1], 也就是ClientIPLoggerValve。

最后调用的是基础阀门

basic.invoke(request, response, this);//最后才是basic阀门

SimpleWrapperValve.java

SimpleWrapperValve.java也是一个阀门，所以也实现了Valve和Contained接口

public class SimpleWrapperValve implements Valve, Contained {

  protected Container container;

  public void invoke(Request request, Response response, ValveContext valveContext)
    throws IOException, ServletException {

    SimpleWrapper wrapper = (SimpleWrapper) getContainer();
    ServletRequest sreq = request.getRequest();
    ServletResponse sres = response.getResponse();
    Servlet servlet = null;
    HttpServletRequest hreq = null;
    //看到没，这里强制转换为HttpServletRequest和HttpServletResponse
    if (sreq instanceof HttpServletRequest)
      hreq = (HttpServletRequest) sreq;
    HttpServletResponse hres = null;
    if (sres instanceof HttpServletResponse)
      hres = (HttpServletResponse) sres;

    // Allocate a servlet instance to process this request
    try {
      //加载我们想访问的真正的servlet，这个方法上面讲了
      servlet = wrapper.allocate();
      if (hres!=null && hreq!=null) {
        servlet.service(hreq, hres);//这里调用了service
      }
      else {
        servlet.service(sreq, sres);
      }
    }
    catch (ServletException e) {
    }
  }

  public String getInfo() {
    return null;
  }

  public Container getContainer() {
    return container;
  }

  public void setContainer(Container container) {
    this.container = container;
  }
}

SimpleWrapperValve作为基础阀门，终于找到我们梦寐已久的service方法

其中SimpleWrapper中我们看到了这个容器是如何加载servlet的，加载的时候调用了servlet的init方法，

也就是基础阀门的invoke方法中调用加载初始化(wrapper.allocate())

接下来调用了servlet的service方法，

我们看到servlet是加载一次的而已，所以我们可以得到结论：Servlet不是线程安全的(这次不再是只看结论了哦，我们是推出来的，实在不信，可以看看Standard*的源代码)

第三部分：小结

讲了这么多，将所有的重要接口都混合在代码里面讲解了，不知道大家认识到多少

我感觉 Tomcat容器 理解代码还是次要的 最重要的是明白 Tomcat 为什么要这样进行模块设计，我们可以好好学习这种思想，为什么要分这些接口， 不管读什么，读源代码就是这样，在理解是如何本身是如何实现的基础上，理解设计思想。

Point: 读同一份源代码，一万个人有一万中感悟

附

相应代码可以在我的github上找到下载，拷贝到eclipse，然后打开对应包的代码即可。

如发现编译错误，可能是由于jdk不同版本对编译的要求不同导致的，可以不管，供学习研究使用。