利刃出鞘_Tomcat 核心原理解析（二）

一、 Tomcat專題 - Tomcat架構(gòu) - HTTP工作流程

1、Http 工作原理

HTTP 協(xié)議：是瀏覽器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。作為應(yīng)用層協(xié)議，HTTP 是基于 TCP/IP 協(xié)議來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的（HTML文件、圖片、查詢結(jié)果等），HTTP 協(xié)議不涉及數(shù)據(jù)包（Packet）傳輸，主要規(guī)定了客戶端和服務(wù)器之間的通信格式。

2、HTTP 協(xié)議流程圖：

3、HTTP 過(guò)程：

1） 用戶通過(guò)瀏覽器進(jìn)行了一個(gè)操作，比如輸入網(wǎng)址并回車，或者是點(diǎn)擊鏈接，接著瀏覽
器獲取了這個(gè)事件。
2） 瀏覽器向服務(wù)端發(fā)出TCP連接請(qǐng)求。
3） 服務(wù)程序接受瀏覽器的連接請(qǐng)求，并經(jīng)過(guò)TCP三次握手建立連接。
4） 瀏覽器將請(qǐng)求數(shù)據(jù)打包成一個(gè)HTTP協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包。
5） 瀏覽器將該數(shù)據(jù)包推入網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，最終達(dá)到端服務(wù)程序。
6） 服務(wù)端程序拿到這個(gè)數(shù)據(jù)包后，同樣以HTTP協(xié)議格式解包，獲取到客戶端的意圖。
7） 得知客戶端意圖后進(jìn)行處理，比如提供靜態(tài)文件或者調(diào)用服務(wù)端程序獲得動(dòng)態(tài)結(jié)果。
8） 服務(wù)器將響應(yīng)結(jié)果（可能是HTML或者圖片等）按照HTTP協(xié)議格式打包。
9） 服務(wù)器將響應(yīng)數(shù)據(jù)包推入網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸最終達(dá)到到瀏覽器。
10） 瀏覽器拿到數(shù)據(jù)包后，以HTTP協(xié)議的格式解包，然后解析數(shù)據(jù)，假設(shè)這里的數(shù)據(jù)是
HTML。
11） 瀏覽器將HTML文件展示在頁(yè)面上。
那我們想要探究的Tomcat作為一個(gè)HTTP服務(wù)器，在這個(gè)過(guò)程中都做了些什么事情呢？主
要是接受連接、解析請(qǐng)求數(shù)據(jù)、處理請(qǐng)求和發(fā)送響應(yīng)這幾個(gè)步驟。

二、 Tomcat專題 - Tomcat架構(gòu) - Tomcat整體架構(gòu)

1、Http服務(wù)器請(qǐng)求處理

瀏覽器發(fā)給服務(wù)端的是一個(gè)HTTP格式的請(qǐng)求，HTTP服務(wù)器收到這個(gè)請(qǐng)求后，需要調(diào)用服務(wù)端程序來(lái)處理，所謂的服務(wù)端程序就是你寫的Java類，一般來(lái)說(shuō)不同的請(qǐng)求需要由不同的 Java 類來(lái)處理。

1） 圖1 ， 表示HTTP服務(wù)器直接調(diào)用具體業(yè)務(wù)類，它們是緊耦合的。

2） 圖2，HTTP服務(wù)器不直接調(diào)用業(yè)務(wù)類，而是把請(qǐng)求交給容器來(lái)處理，容器通過(guò)Servlet接口調(diào)用業(yè)務(wù)類。因此Servlet接口和Servlet容器的出現(xiàn)，達(dá)到了HTTP服務(wù)器與業(yè)務(wù)類解耦的目的。而Servlet接口和Servlet容器這一整套規(guī)范叫作Servlet規(guī)范。

Tomcat 按照 Servlet 規(guī)范的要求實(shí)現(xiàn)了 Servlet 容器，同時(shí)它們也具有HTTP服務(wù)器的功能。作為Java程序員，如果我們要實(shí)現(xiàn)新的業(yè)務(wù)功能，只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)Servlet，并把它注冊(cè)到Tomcat（Servlet容器）中，剩下的事情就由Tomcat幫我們處理了。

2、Servlet 容器工作流程

為了解耦，HTTP服務(wù)器不直接調(diào)用Servlet，而是把請(qǐng)求交給Servlet容器來(lái)處理，那
Servlet容器又是怎么工作的呢？

當(dāng)客戶請(qǐng)求某個(gè)資源時(shí)，HTTP服務(wù)器會(huì)用一個(gè)ServletRequest對(duì)象把客戶的請(qǐng)求信息封裝起來(lái)，然后調(diào)用Servlet容器的service方法，Servlet容器拿到請(qǐng)求后，根據(jù)請(qǐng)求的URL和Servlet的映射關(guān)系，找到相應(yīng)的Servlet，如果Servlet還沒(méi)有被加載，就用反射機(jī)制創(chuàng)建這個(gè)Servlet，并調(diào)用Servlet的init方法來(lái)完成初始化，接著調(diào)用Servlet的service方法來(lái)處理請(qǐng)求，把ServletResponse對(duì)象返回給HTTP服務(wù)器，HTTP服務(wù)器會(huì)把響應(yīng)發(fā)送給
客戶端。

3、Tomcat整體架構(gòu)

如果要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，首先是要了解需求，了解 Tomcat 要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)核心功能：

1） 處理Socket連接，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)字節(jié)流與Request和Response對(duì)象的轉(zhuǎn)化。

2） 加載和管理Servlet，以及具體處理Request請(qǐng)求。

因此 Tomcat 設(shè)計(jì)了兩個(gè)核心組件連接器（Connector）和容器（Container）來(lái)分別做這兩件事情。連接器負(fù)責(zé)對(duì)外交流，容器負(fù)責(zé)內(nèi)部處理。

三、 Tomcat專題 - Tomcat架構(gòu) - Coyote連接器架構(gòu)介紹

1、連接器 - Coyote 架構(gòu)介紹

• Coyote 是 Tomcat 的連接器框架的名稱 , 是Tomcat服務(wù)器提供的供客戶端訪問(wèn)的外部接口?？蛻舳送ㄟ^(guò) Coyote 與服務(wù)器建立連接、發(fā)送請(qǐng)求并接受響應(yīng) 。

• Coyote 封裝了底層的網(wǎng)絡(luò)通信（Socket 請(qǐng)求及響應(yīng)處理），為 Catalina 容器提供了統(tǒng)一的接口，使 - Catalina 容器與具體的請(qǐng)求協(xié)議及IO操作方式完全解耦。Coyote 將 Socket 輸入轉(zhuǎn)換封裝為 Request 對(duì)象，交由Catalina 容器進(jìn)行處理，處理請(qǐng)求完成后, Catalina 通過(guò)Coyote 提供的 Response 對(duì)象將結(jié)果寫入輸出流 。

• Coyote 作為獨(dú)立的模塊，只負(fù)責(zé)具體協(xié)議和 IO 的相關(guān)操作， 與 Servlet 規(guī)范實(shí)現(xiàn)沒(méi)有直接關(guān)系，因此即便是 Request 和 Response 對(duì)象也并未實(shí)現(xiàn)Servlet規(guī)范對(duì)應(yīng)的接口， 而
  是在 Catalina 中將他們進(jìn)一步封裝為 ServletRequest 和 ServletResponse 。

2、 IO 模型與協(xié)議

在 Coyote 中 ， Tomcat 支持的多種 I/O 模型和應(yīng)用層協(xié)議，具體包含哪些 IO 模型和應(yīng)用層協(xié)議，請(qǐng)看下表：

1）Tomcat 支持的IO模型（自8.5/9.0 版本起，Tomcat 移除了 對(duì) BIO 的支持）：

IO模型	描述
NIO	非阻塞I/O，采用Java NIO類庫(kù)實(shí)現(xiàn)。
NIO2	異步I/O，采用JDK 7最新的NIO2類庫(kù)實(shí)現(xiàn)。
APR	采用Apache可移植運(yùn)行庫(kù)實(shí)現(xiàn)，是C/C++編寫的本地庫(kù)。如果選擇該方案，需要單獨(dú)安裝APR庫(kù)。

2）Tomcat 支持的應(yīng)用層協(xié)議 ：

應(yīng)用層協(xié)議	描述
HTTP/1.1	這是大部分Web應(yīng)用采用的訪問(wèn)協(xié)議。
AJP	用于和Web服務(wù)器集成（如Apache），以實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)資源的優(yōu)化以及集群部署，當(dāng)前支持AJP/1.3。
HTTP/2	HTTP 2.0大幅度的提升了Web性能。下一代HTTP協(xié)議 ， 自8.5以及9.0版本之后支持。

3）協(xié)議分層 ：

應(yīng)用層	傳輸層
HTTP	NIO
AJP	NIO2
HTTP2	APR
Processor	Endpoint

4）在 8.0 之前 ， Tomcat 默認(rèn)采用的I/O方式為 BIO ， 之后改為 NIO。 無(wú)論 NIO、NIO2 還是 APR， 在性能方面均優(yōu)于以往的BIO。 如果采用APR， 甚至可以達(dá)到 Apache HTTP Server 的影響性能。

5）Tomcat 為了實(shí)現(xiàn)支持多種I/O模型和應(yīng)用層協(xié)議，一個(gè)容器可能對(duì)接多個(gè)連接器，就好比一個(gè)房間有多個(gè)門。但是單獨(dú)的連接器或者容器都不能對(duì)外提供服務(wù)，需要把它們組裝起來(lái)才能工作，組裝后這個(gè)整體叫作Service組件。這里請(qǐng)你注意，Service本身沒(méi)有做什么重要的事情，只是在連接器和容器外面多包了一層，把它們組裝在一起。Tomcat 內(nèi)可能有多個(gè) Service，這樣的設(shè)計(jì)也是出于靈活性的考慮。通過(guò)在Tomcat中配置多個(gè) Service，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)不同的端口號(hào)來(lái)訪問(wèn)同一臺(tái)機(jī)器上部署的不同應(yīng)用。

四、 Tomcat專題 - Tomcat架構(gòu) - Coyote連接器組件

1、連接器組件：連接器中的各個(gè)組件的作用如下：

2、 EndPoint

1） EndPoint ： Coyote 通信端點(diǎn)，即通信監(jiān)聽的接口，是具體Socket接收和發(fā)送處理器，是對(duì)傳輸層的抽象，因此EndPoint用來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的。

2） Tomcat 并沒(méi)有 EndPoint 接口，而是提供了一個(gè)抽象類 AbstractEndpoint ，里面定義了兩個(gè)內(nèi)部類：Acceptor 和 SocketProcessor。Acceptor 用于監(jiān)聽Socket連接請(qǐng)求。SocketProcessor 用于處理接收到的Socket請(qǐng)求，它實(shí)現(xiàn) Runnable 接口，在Run方法里調(diào)用協(xié)議處理組件 Processor 進(jìn)行處理。為了提高處理能力，SocketProcessor 被提交到線程池來(lái)執(zhí)行。而這個(gè)線程池叫作執(zhí)行器（Executor)，我在后面的專欄會(huì)詳細(xì)介紹 Tomcat 如何擴(kuò)展原生的 Java 線程池。

3、Processor

Processor ： Coyote 協(xié)議處理接口 ，如果說(shuō) EndPoint 是用來(lái)實(shí)現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議的，那么 Processor 用來(lái)實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議，Processor 接收來(lái)自 EndPoint 的 Socket，讀取字節(jié)流解析成 Tomcat Request 和 Response對(duì)象，并通過(guò) Adapter 將其提交到容器處理，Processor是對(duì)應(yīng)用層協(xié)議的抽象。

4、 ProtocolHandler

ProtocolHandler： Coyote 協(xié)議接口， 通過(guò)Endpoint 和 Processor ， 實(shí)現(xiàn)針對(duì)具體協(xié)議的處理能力。Tomcat 按照協(xié)議和I/O 提供了6個(gè)實(shí)現(xiàn)類 ： AjpNioProtocol ， AjpAprProtocol， AjpNio2Protocol ， Http11NioProtocol ，Http11Nio2Protocol ，Http11AprProtocol。我們?cè)谂渲胻omcat/conf/server.xml 時(shí) ， 至少要指定具體的 ProtocolHandler , 當(dāng)然也可以指定協(xié)議名稱 ， 如 ： HTTP/1.1 ，如果安裝了APR，那么將使用Http11AprProtocol ， 否則使用 Http11NioProtocol 。

5、 Adapter

由于協(xié)議不同，客戶端發(fā)過(guò)來(lái)的請(qǐng)求信息也不盡相同，Tomcat定義了自己的 Request 類來(lái)“存放”這些請(qǐng)求信息。ProtocolHandler 接口負(fù)責(zé)解析請(qǐng)求并生成 Tomcat Request 類。但是這個(gè) Request 對(duì)象不是標(biāo)準(zhǔn)的 ServletRequest，也就意味著，不能用 Tomcat Request 作為參數(shù)來(lái)調(diào)用容器。Tomcat設(shè)計(jì)者的解決方案是引入 CoyoteAdapter，這是適配器模式的經(jīng)典運(yùn)用，連接器調(diào)用 CoyoteAdapter 的 Sevice 方法，傳入的是 Tomcat Request 對(duì)象，CoyoteAdapter 負(fù)責(zé)將 Tomcat Request 轉(zhuǎn)成 ServletRequest，再調(diào)用容器的 Service方法。

五、 Tomcat專題 - Tomcat架構(gòu) - Catalina容器結(jié)構(gòu)

1、容器 - Catalina

• Tomcat 是一個(gè)由一系列可配置的組件構(gòu)成的 Web 容器，而 Catalina 是 Tomcat 的 servlet 容器。

• Catalina 是 Servlet 容器實(shí)現(xiàn)，包含了之前講到的所有的容器組件，以及后續(xù)章節(jié)涉及到的安全、會(huì)話、集群、管理等 Servlet 容器架構(gòu)的各個(gè)方面。它通過(guò)松耦合的方式集成 Coyote，以完成按照請(qǐng)求協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。同時(shí)，它還包括我們的啟動(dòng)入口、Shell程序等。

2、Catalina 地位：Tomcat 的模塊分層結(jié)構(gòu)圖， 如下：

Tomcat 本質(zhì)上就是一款 Servlet 容器， 因此Catalina 才是 Tomcat 的核心 ， 其他模塊都是為 Catalina 提供支撐的。 比如 ： 通過(guò) Coyote 模塊提供鏈接通信，Jasper 模塊提供JSP引擎，Naming 提供 JNDI 服務(wù)，Juli 提供日志服務(wù)。

3、Catalina 結(jié)構(gòu) ：Catalina 的主要組件結(jié)構(gòu)如下：

Catalina 負(fù)責(zé)管理 Server，而 Server 表示著整個(gè)服務(wù)器。Server 下面有多個(gè)服務(wù) Service，每個(gè)服務(wù)都包含著多個(gè)連接器組件 Connector（Coyote 實(shí)現(xiàn)）和一個(gè)容器組件 Container。在 Tomcat 啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)初始化一個(gè) Catalina 的實(shí)例。

4、Catalina 各個(gè)組件的職責(zé)：

組件	職責(zé)
Catalina	負(fù)責(zé)解析Tomcat的配置文件 , 以此來(lái)創(chuàng)建服務(wù)器Server組件，并根據(jù)命令來(lái)對(duì)其進(jìn)行管理
Server	服務(wù)器表示整個(gè)Catalina Servlet容器以及其它組件，負(fù)責(zé)組裝并啟動(dòng)Servlet引擎,Tomcat連接器。Server通過(guò)實(shí)現(xiàn)Lifecycle接口，提供了一種優(yōu)雅的啟動(dòng)和關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)的方式
Service	服務(wù)是Server內(nèi)部的組件，一個(gè)Server包含多個(gè)Service。它將若干個(gè)Connector組件綁定到一個(gè)Container（Engine）上
Connector	連接器，處理與客戶端的通信，它負(fù)責(zé)接收客戶請(qǐng)求，然后轉(zhuǎn)給相關(guān)的容器處理，最后向客戶返回響應(yīng)結(jié)果
Container	容器，負(fù)責(zé)處理用戶的servlet請(qǐng)求，并返回對(duì)象給web用戶的模塊

5、Container 結(jié)構(gòu)

Tomcat設(shè)計(jì)了4種容器，分別是 Engine、Host、Context 和 Wrapper。這4種容器不是平行關(guān)系，而是父子關(guān)系。Tomcat 通過(guò)一種分層的架構(gòu)，使得Servlet容器具有很好的靈活性。

6、各個(gè)組件的含義 ：

容器	描述
Engine	表示整個(gè)Catalina的Servlet引擎，用來(lái)管理多個(gè)虛擬站點(diǎn)，一個(gè)Service最多只能有一個(gè)Engine，但是一個(gè)引擎可包含多個(gè)Host
Host	代表一個(gè)虛擬主機(jī)，或者說(shuō)一個(gè)站點(diǎn)，可以給Tomcat配置多個(gè)虛擬主機(jī)地址，而一個(gè)虛擬主機(jī)下可包含多個(gè)Context
Context	表示一個(gè)Web應(yīng)用程序， 一個(gè)Web應(yīng)用可包含多個(gè)Wrapper
Wrapper	表示一個(gè)Servlet，Wrapper 作為容器中的最底層，不能包含子容器

7、 也可以再通過(guò) Tomcat 的 server.xml 配置文件來(lái)加深對(duì) Tomcat 容器的理解。Tomcat 采用了組件化的設(shè)計(jì)，它的構(gòu)成組件都是可配置的，其中最外層的是 Server，其他組件按照一定的格式要求配置在這個(gè)頂層容器中。

<Server<Service><Connector/><Connector/><Engine><Host><Context></Context></Host><Engine></Service>
</Server>

8、Tomcat 是怎么管理這些容器的呢？

這些容器具有父子關(guān)系，形成一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，你可能馬上就想到了設(shè)計(jì)模式中的組合模式。沒(méi)錯(cuò)，Tomcat 就是用組合模式來(lái)管理這些容器的。具體實(shí)現(xiàn)方法是，所有容器組件都實(shí)現(xiàn)了 Container 接口，因此組合模式可以使得用戶對(duì)單容器對(duì)象和組合容器對(duì)象的使用具有一致性。這里單容器對(duì)象指的是最底層的 Wrapper，組合容器對(duì)象指的是上面的 Context、Host 或 者Engine。

9、Container 接口中提供了以下方法（截圖中知識(shí)一部分方法） ：

• 在上面的接口看到了getParent、SetParent、addChild和removeChild等方法。

• Container 接口擴(kuò)展了 LifeCycle 接口，LifeCycle 接口用來(lái)統(tǒng)一管理各組件的生命周期，后面我也用專門的篇幅去詳細(xì)介紹。

上一節(jié)關(guān)聯(lián)鏈接請(qǐng)點(diǎn)擊
# 利刃出鞘_Tomcat 核心原理解析（一）