Tomcat详解系列(2) - 理解Tomcat架构设计

Tomcat - 理解Tomcat架构设计

前文我们已经介绍了一个简单的Servlet容器是如何设计出来，我们就可以开始正式学习Tomcat了，在学习开始，我们有必要站在高点去看看Tomcat的架构设计。@pdai

准备知识

一些准备知识点。

Tomcat和Catalina是什么关系？

Tomcat的前身为Catalina，Catalina又是一个轻量级的Servlet容器

Tomcat的前身为Catalina，Catalina又是一个轻量级的Servlet容器。在美国，catalina是一个很美的小岛。所以Tomcat作者的寓意可能是想把Tomcat设计成一个优雅美丽且轻量级的web服务器。Tomcat从4.x版本开始除了作为支持Servlet的容器外，额外加入了很多的功能，比如：jsp、el、naming等等，所以说Tomcat不仅仅是Catalina。

什么是Servlet？

所谓Servlet，其实就是Sun为了让Java能实现动态可交互的网页，从而进入Web编程领域而制定的一套标准！

在互联网兴起之初，当时的Sun公司（后面被Oracle收购）已然看到了这次机遇，于是设计出了Applet来对Web应用的支持。不过事实却并不是预期那么得好，Sun悲催地发现Applet并没有给业界带来多大的影响。经过反思，Sun就想既然机遇出现了，市场前景也非常不错，总不能白白放弃了呀，怎么办呢？于是又投入精力去搞一套规范出来，这时Servlet诞生了！

一个Servlet主要做下面三件事情：

• 创建并填充Request对象，包括：URI、参数、method、请求头信息、请求体信息等
• 创建Response对象
• 执行业务逻辑，将结果通过Response的输出流输出到客户端

Servlet没有main方法，所以，如果要执行，则需要在一个容器里面才能执行，这个容器就是为了支持Servlet的功能而存在，Tomcat其实就是一个Servlet容器的实现。

Tomcat 总结架构

下图应该是网上能找的最好的关于Tomcat的架构图了， 我们来看下它的构成：

从组件的角度看

• Server: 表示服务器，它提供了一种优雅的方式来启动和停止整个系统，不必单独启停连接器和容器；它是Tomcat构成的顶级构成元素，所有一切均包含在Server中；

• Service: 表示服务，Server可以运行多个服务。比如一个Tomcat里面可运行订单服务、支付服务、用户服务等等；Server的实现类StandardServer可以包含一个到多个Services, Service的实现类为StandardService调用了容器(Container)接口，其实是调用了Servlet Engine(引擎)，而且StandardService类中也指明了该Service归属的Server;

• Container: 表示容器，可以看做Servlet容器；引擎(Engine)、主机(Host)、上下文(Context)和Wraper均继承自Container接口，所以它们都是容器。

  • Engine -- 引擎
  • Host -- 主机
  • Context -- 上下文
  • Wrapper -- 包装器

• Connector: 表示连接器, 它将Service和Container连接起来，首先它需要注册到一个Service，它的作用就是把来自客户端的请求转发到Container(容器)，这就是它为什么称作连接器, 它支持的协议如下：

  • 支持AJP协议
  • 支持Http协议
  • 支持Https协议

• Service内部还有各种支撑组件，下面简单罗列一下这些组件

  • Manager -- 管理器，用于管理会话Session
  • Logger -- 日志器，用于管理日志
  • Loader -- 加载器，和类加载有关，只会开放给Context所使用
  • Pipeline -- 管道组件，配合Valve实现过滤器功能
  • Valve -- 阀门组件，配合Pipeline实现过滤器功能
  • Realm -- 认证授权组件

从web.xml配置和模块对应角度

上述模块的理解不是孤立的，它直接映射为Tomcat的web.xml配置，让我们联系起来看

从一个完整请求的角度来看

通过一个完整的HTTP请求，我们还需要把它贯穿起来

假设来自客户的请求为：http://localhost:8080/test/index.jsp 请求被发送到本机端口8080，被在那里侦听的Coyote HTTP/1.1 Connector,然后

• Connector把该请求交给它所在的Service的Engine来处理，并等待Engine的回应
• Engine获得请求localhost:8080/test/index.jsp，匹配它所有虚拟主机Host
• Engine匹配到名为localhost的Host(即使匹配不到也把请求交给该Host处理，因为该Host被定义为该Engine的默认主机)
• localhost Host获得请求/test/index.jsp，匹配它所拥有的所有Context
• Host匹配到路径为/test的Context(如果匹配不到就把该请求交给路径名为""的Context去处理)
• path="/test"的Context获得请求/index.jsp，在它的mapping table中寻找对应的servlet
• Context匹配到URL PATTERN为*.jsp的servlet，对应于JspServlet类，构造HttpServletRequest对象和HttpServletResponse对象，作为参数调用JspServlet的doGet或doPost方法
• Context把执行完了之后的HttpServletResponse对象返回给Host
• Host把HttpServletResponse对象返回给Engine
• Engine把HttpServletResponse对象返回给Connector
• Connector把HttpServletResponse对象返回给客户browser

从源码的设计角度看

从功能的角度将Tomcat源代码分成5个子模块，分别是:

• Jsper模: 这个子模块负责jsp页面的解析、jsp属性的验证，同时也负责将jsp页面动态转换为java代码并编译成class文件。在Tomcat源代码中，凡是属于org.apache.jasper包及其子包中的源代码都属于这个子模块;

• Servlet和Jsp模块: 这个子模块的源代码属于javax.servlet包及其子包，如我们非常熟悉的javax.servlet.Servlet接口、javax.servet.http.HttpServlet类及javax.servlet.jsp.HttpJspPage就位于这个子模块中;

• Catalina模块: 这个子模块包含了所有以org.apache.catalina开头的java源代码。该子模块的任务是规范了Tomcat的总体架构，定义了Server、Service、Host、Connector、Context、Session及Cluster等关键组件及这些组件的实现，这个子模块大量运用了Composite设计模式。同时也规范了Catalina的启动及停止等事件的执行流程。从代码阅读的角度看，这个子模块应该是我们阅读和学习的重点。

• Connector模块: 如果说上面三个子模块实现了Tomcat应用服务器的话，那么这个子模块就是Web服务器的实现。所谓连接器(Connector)就是一个连接客户和应用服务器的桥梁，它接收用户的请求，并把用户请求包装成标准的Http请求(包含协议名称，请求头Head，请求方法是Get还是Post等等)。同时，这个子模块还按照标准的Http协议，负责给客户端发送响应页面，比如在请求页面未发现时，connector就会给客户端浏览器发送标准的Http 404错误响应页面。

• Resource模块: 这个子模块包含一些资源文件，如Server.xml及Web.xml配置文件。严格说来，这个子模块不包含java源代码，但是它还是Tomcat编译运行所必需的。

从后续深入理解的角度

我们看完上述组件结构后，后续应该重点从哪些角度深入理解Tomcat呢？

• 基于组件的架构

我们知道组成Tomcat的是各种各样的组件，每个组件各司其职，组件与组件之间有明确的职责划分，同时组件与组件之间又通过一定的联系相互通信。Tomcat整体就是一个个组件的堆砌！

• 基于JMX

我们在后续阅读Tomcat源码的时候，会发现代码里充斥着大量的类似于下面的代码。

Registry.getRegistry(null, null).invoke(mbeans, "init", false);
Registry.getRegistry(null, null).invoke(mbeans, "start", false);

而这实际上就是通过JMX来管理相应对象的代码。这儿我们不会详细讲述什么是JMX，我们只是简单地说明一下JMX的概念，参考JMX百度百科。

JMX（Java Management Extensions，即Java管理扩展）是一个为应用程序、设备、系统等植入管理功能的框架。JMX可以跨越一系列异构操作系统平台、系统体系结构和网络传输协议，灵活的开发无缝集成的系统、网络和服务管理应用。

• 基于生命周期

如果我们查阅各个组件的源代码，会发现绝大多数组件实现了Lifecycle接口，这也就是我们所说的基于生命周期。生命周期的各个阶段的触发又是基于事件的方式。

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