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);
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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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