編輯:關於Android編程
Tomcat的結構很復雜,但是Tomcat也非常的模塊化,找到了Tomcat最核心的模塊,就抓住了Tomcat的“七寸”。
Tomcat 總體結構圖
從上圖中可以看出Tomcat的心髒是兩個組件:Connector 和 Container,關於這兩個組件將在後面詳細介紹。Connector 組件是可以被替換,這樣可以提供給服務器設計者更多的選擇,因為這個組件是如此重要,不僅跟服務器的設計的本身,而且和不同的應用場景也十分相關,所以一個Container 可以選擇對應多個Connector。多個Connector和一個Container 就形成了一個Service,Service 的概念大家都很熟悉了,有了Service 就可以對外提供服務了,但是Service還要一個生存的環境,必須要有人能夠給她生命、掌握其生死大權,那就非Server莫屬了。所以整個Tomcat的生命周期由Server控制。
以Service 作為“婚姻”
我們將 Tomcat 中 Connector、Container 作為一個整體比作一對情 侶的話,Connector 主要負責對外交流,可以比作為 Boy,Container 主要處理 Connector 接受的請求,主要是處理內部事務,可以比作為 Girl。那麼這個 Service就是連接這對男女的結婚證了。是Service將它們連接在一起,共同組成一個家庭。當然要組成一個家庭還要很多其它的元素。
說白了,Service 只是在Connector 和 Container外面多包一層,把它們組裝在一起,向外面提供服務,一個Service可以設置多個Connector,但是只能有一個 Container 容器。這個 Service 接口的 方法列表如下:
①Service接口
從 Service接口中定義的方法中可以看出,它主要是為了關聯Connector和 Container,同時會初始化它下面的其它組件,注意接 口中它並沒有規定一定要控制它下面的組件的生命周期。所有組件的 生命周期在一個 Lifecycle 的接口中控制,這裡用到了一個重要的設 計模式,關於這個接口將在後面介紹。
Tomcat 中 Service接口的標准實現類是StandardService它不僅實現了 Service 借口同時還實現了 Lifecycle 接口,這樣它就可以控 制它下面的組件的生命周期了。StandardService 類結構圖如下:
②StandardService的類結構圖
從上圖中可以看出除了 Service接口的方法的實現以及控制組件生命周期的 Lifecycle 接口的實現,還有幾個方法是用於在事件監聽的 方法的實現,不僅是這個 Service 組件,Tomcat 中其它組件也同樣 有這幾個方法,這也是一個典型的設計模式,將在後面介紹。
下面看一下 StandardService 中主要的幾個方法實現的代碼,下面是setContainer和 addConnector 方法的源碼:
③StandardService. SetContainer
public void setContainer(Container container) { Container oldContainer = this.container; if ((oldContainer != null) && (oldContainer instanceof Engine)) ((Engine) oldContainer).setService(null); this.container = container; if ((this.container != null) && (this.container instanceof Engine)) ((Engine) this.container).setService(this); if (started && (this.container != null) && (this.container instanceof Lifecycle)) { try { ((Lifecycle) this.container).start(); } catch (LifecycleException e) { ; } } synchronized (connectors) { for (int i = 0; i < connectors.length; i++) connectors[i].setContainer(this.container); } if (started && (oldContainer != null) && (oldContainer instanceof Lifecycle)) { try { ((Lifecycle) oldContainer).stop(); } catch (LifecycleException e) { ; } } support.firePropertyChange("container", oldContainer, this.container); ————————————————————————————— }
這段代碼很簡單,其實就是先判斷當前的這個 Service 有沒有已經關 聯了 Container,如果已經關聯了,那麼去掉這個關聯關系——oldContainer.setService(null)。如果這個 oldContainer 已經被啟動 了,結束它的生命周期。然後再替換新的關聯、再初始化並開始這個新的 Container 的生命周期。最後將這個過程通知感興趣的事件監聽程序。這裡值得注意的地方就是,修改Container 時要將新的 Container關聯到每個Connector,還好 Container 和 Connector 沒有雙向關聯,不然這個關聯關系將會很難維護。
④StandardService. addConnector
public void addConnector(Connector connector) { synchronized (connectors) { connector.setContainer(this.container); connector.setService(this); Connector results[] = new Connector[connectors.length + 1]; System.arraycopy(connectors, 0, results, 0, connectors.length); results[connectors.length] = connector; connectors = results; if (initialized) { try { connector.initialize(); } catch (LifecycleException e) { e.printStackTrace(System.err); } } if (started && (connector instanceof Lifecycle)) { try { ((Lifecycle) connector).start(); } catch (LifecycleException e) { ; } } support.firePropertyChange("connector", null, connector); } }
上面是 addConnector 方法,這個方法也很簡單,首先是設置關聯關 系,然後是初始化工作,開始新的生命周期。這裡值得一提的是,注 意 Connector 用的是數組而不是 List 集合,這個從性能角度考慮可 以理解,有趣的是這裡用了數組但是並沒有向我們平常那樣,一開始 就分配一個固定大小的數組,它這裡的實現機制是:重新創建一個當 前大小的數組對象,然後將原來的數組對象 copy 到新的數組中,這 種方式實現了類似的動態數組的功能,這種實現方式,值得我們以後 拿來借鑒。
最新的 Tomcat6 中 StandardService也基本沒有變化,但是從Tomcat5 開始 Service、Server 和容器類都繼承了MBeanRegistration接口,Mbeans 的管理更加合理。
以 Server 為“居”
前面說一對情侶因為 Service 而成為一對夫妻,有了能夠組成一個家 庭的基本條件,但是它們還要有個實體的家,這是它們在社會上生存 之本,有了家它們就可以安心的為人民服務了,一起為社會創造財富。
Server要完成的任務很簡單,就是要能夠提供一個接口讓其它程序能夠訪問到這個 Service 集合、同時要維護它所包含的所有 Service 的生命周期,包括如何初始化、如何結束服務、如何找到別人要訪問的 Service。還有其它的一些次要的任務,如您住在這個地方要向當 地政府去登記啊、可能還有要配合當地公安機關日常的安全檢查什麼 的。
Server的類結構圖如下:①Server的類結構圖
它的標准實現類 StandardServer 實現了上面這些方法,同時也實現 了 Lifecycle、MbeanRegistration 兩個接口的所有方法,下面主要看 一下 StandardServer 重要的一個方法 addService的實現:
②StandardServer.addService
public void addService(Service service) { service.setServer(this); synchronized (services) { Service results[] = new Service[services.length + 1]; System.arraycopy(services, 0, results, 0, services.length); results[services.length] = service; services = results; if (initialized) { try { service.initialize(); } catch (LifecycleException e) { e.printStackTrace(System.err); } } if (started && (service instanceof Lifecycle)) { try { ((Lifecycle) service).start(); } catch (LifecycleException e) { ; } } support.firePropertyChange("service", null, service); } }
從上面第一句就知道了 Service和 Server是相互關聯的,Server也是和 Service 管理 Connector 一樣管理它,也是將 Service 放在 一個數組中,後面部分的代碼也是管理這個新加進來的 Service 的生 命周期。Tomcat6 中也是沒有什麼變化的。
組件的生命線“Lifecycle”
前面一直在說 Service 和 Server 管理它下面組件的生命周期,那它 們是如何管理的呢?
Tomcat 中組件的生命周期是通過Lifecycle 接口來控制的,組件只 要繼承這個接口並實現其中的方法就可以統一被擁有它的組件控制 了,這樣一層一層的直到一個最高級的組件就可以控制 Tomcat 中 所有組件的生命周期,這個最高的組件就是 Server,而控制 Server的是 Startup,也就是您啟動和關閉Tomcat。
下面是 Lifecycle 接口的類結構圖:
①Lifecycle類結構圖
除了控制生命周期的 Start 和 Stop 方法外還有一個監聽機制,在生命周期開始和結束的時候做一些額外的操作。這個機制在其它的框架中也被使用,如在Spring 中。關於這個設計模式會在後面介紹。
Lifecycle接口的方法的實現都在其它組件中,就像前面中說的,組件的生命周期由包含它的父組件控制,所以它的 Start 方法自然就是調用它下面的組件的 Start 方法,Stop 方法也是一樣。如在 Server 中 Start 方法就會調用Service組件的 Start方法,Server 的 Start方法代碼如下:
②StandardServer.Start
public void start() throws LifecycleException { if (started) { log.debug(sm.getString("standardServer.start.started")); return; } lifecycle.fireLifecycleEvent(BEFORE_START_EVENT, null); lifecycle.fireLifecycleEvent(START_EVENT, null); started = true; synchronized (services) { for (int i = 0; i < services.length; i++) { if (services[i] instanceof Lifecycle) ((Lifecycle) services[i]).start(); } } lifecycle.fireLifecycleEvent(AFTER_START_EVENT, null); }
監聽的代碼會包圍 Service 組件的啟動過程,就是簡單的循環啟動所有 Service組件的Start 方法,但是所有Service必須要實現
Lifecycle接口,這樣做會更加靈活。
Server的 Stop 方法代碼如下:
③StandardServer.Stop
public void stop() throws LifecycleException { if (!started) return; lifecycle.fireLifecycleEvent(BEFORE_STOP_EVENT, null); lifecycle.fireLifecycleEvent(STOP_EVENT, null); started = false; for (int i = 0; i < services.length; i++) { if (services[i] instanceof Lifecycle) ((Lifecycle) services[i]).stop(); } lifecycle.fireLifecycleEvent(AFTER_STOP_EVENT, null); }
它所要做的事情也和Start方法差不多。
Connector組件是Tomcat中兩個核心組件之一,它的主要任務是負責接收浏覽器的發過來的tcp連接請求,創建個Request 和處理這個請求並把產生的Request 和 Response對象傳給處理這個請求的線程,處理這個請求的線程就是Container 組件要做的事了。
由於這個過程比較復雜,大體的流程可以用下面的順序圖來解釋:
①Connector處理一次請求順序圖
Tomcat5 中默認的 Connector 是 Coyote,這個 Connector 是可以選擇替換的。Connector 最重要的功能就是接收連接請求然後分配線 程讓 Container 來處理這個請求,所以這必然是多線程的,多線程的處理是 Connector 設計的核心。Tomcat5將這個過程更加細化,它將 Connector劃分成 Connector、Processor、Protocol, 另外Coyote也定義自己的Request 和 Response對象。
下面主要看一下 Tomcat 中如何處理多線程的連接請求,先看一下Connector的主要類圖:
② Connector的主要類圖
看一下HttpConnector的Start 方法:
③HttpConnector.Start
public void start() throws LifecycleException { if (started) throw new LifecycleException (sm.getString("httpConnector.alreadyStarted")); threadName = "HttpConnector[" + port + "]"; lifecycle.fireLifecycleEvent(START_EVENT, null); started = true; threadStart(); while (curProcessors < minProcessors) { if ((maxProcessors > 0) && (curProcessors >= maxProcessors)) break; HttpProcessor processor = newProcessor(); recycle(processor); } }
threadStart()執行就會進入等待請求的狀態,直到一個新的請求到來才會激活它繼續執行,這個激活是在HttpProcessor 的 assign 方法中,這個方法是代碼如下 :
④ HttpProcessor.assign
synchronized void assign(Socket socket) { while (available) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { ————————————————————————————— } } this.socket = socket; available = true; notifyAll(); if ((debug >= 1) && (socket != null)) log(" An incoming request is being assigned"); }
創建 HttpProcessor 對象是會把 available 設為 false,所以當請求 到來時不會進入 while循環,將請求的socket 賦給當期處理的 socket,並將 available設為true,當 available設為true 是 HttpProcessor的 run方法將被激活,接下去將會處理這次請求。
Run方法代碼如下:⑤HttpProcessor.Run
public void run() { while (!stopped) { Socket socket = await(); if (socket == null) continue; try { process(socket); } catch (Throwable t) { log("process.invoke", t); } connector.recycle(this); } ————————————————————————————— synchronized (threadSync) { threadSync.notifyAll(); } }
解析 socket 的過程在 process 方法中,process 方法的代碼片段如 下:
⑥HttpProcessor.process
private void process(Socket socket) { boolean ok = true; boolean finishResponse = true; SocketInputStream input = null; OutputStream output = null; try { input = new SocketInputStream(socket.getInputStream(),connector.getBufferSize()); } catch (Exception e) { log("process.create", e); ok = false; } keepAlive = true; while (!stopped && ok && keepAlive) { finishResponse = true; try { request.setStream(input); request.setResponse(response); output = socket.getOutputStream(); response.setStream(output); response.setRequest(request); ((HttpServletResponse) response.getResponse()) ————————————————————————————— .setHeader("Server", SERVER_INFO); } catch (Exception e) { log("process.create", e); ok = false; } try { if (ok) { parseConnection(socket); parseRequest(input, output); if (!request.getRequest().getProtocol().startsWith("HTTP/0")) parseHeaders(input); if (http11) { ackRequest(output); if (connector.isChunkingAllowed()) response.setAllowChunking(true); } } try { ((HttpServletResponse) response).setHeader ("Date", FastHttpDateFormat.getCurrentDate()); if (ok) { connector.getContainer().invoke(request, response); } } try { shutdownInput(input); socket.close(); } catch (IOException e) { ; } catch (Throwable e) { log("process.invoke", e); } socket = null; }
當 Connector將 socket 連接封裝成 request 和 response 對象後 接下來的事情就交給 Container 來處理了。
Container是容器的父接口,所有子容器都必須實現這個接口,Container容器的設計用的是典型的責任鏈的設計模式,它有四個子 容器組件構成,分別是:Engine、Host、Context、Wrapper,這四個組件不是平行的,而是父子關系,Engine包含 Host,Host 包含 Context,Context 包含 Wrapper。通常一個 Servlet class 對應一個 Wrapper,如果有多個 Servlet 就可以定義多個 Wrapper,如果有多 個 Wrapper 就要定義一個更高的Container 了,如 Context, Context 通常就是對應下面這個配置:
①Server.xml
②容器的總體設計
Context 還可以定義在父容器Host中,Host 不是必須的,但是要運行 war 程序,就必須要 Host,因為 war 中必有 web.xml 文件, 這個文件的解析就需要 Host 了,如果要有多個 Host 就要定義一個 top 容器 Engine 了。而 Engine 沒有父容器了,一個 Engine 代表 一個完整的 Servlet 引擎。
那麼這些容器是如何協同工作的呢?先看一下它們之間的關系圖:
①四個容器的關系圖
當 Connector接受到一個連接請求時,將請求交給Container, Container是如何處理這個請求的?這四個組件是怎麼分工的,怎麼 把請求傳給特定的子容器的呢?又是如何將最終的請求交給 Servlet處理。下面是這個過程的時序圖:
②Engine和Host 處理請求的時序圖
這裡看到了 Valve 是不是很熟悉,沒錯 Valve 的設計在其他框架中 也有用的,同樣 Pipeline的原理也基本是相似的,它是一個管道,Engine和 Host都會執行這個 Pipeline,您可以在這個管道上增加 任意的 Valve,Tomcat 會挨個執行這些Valve,而且四個組件都會 有自己的一套 Valve 集合。您怎麼才能定義自己的Valve 呢?在server.xml 文件中可以添加,如給 Engine 和 Host 增加一個 Valve如下:
③Server.xml
……… …………
StandardEngineValve和 StandardHostValve是 Engine和 Host的默認的 Valve,它們是最後一個Valve 負責將請求傳給它們的子 容器,以繼續往下執行。
前面是 Engine和 Host容器的請求過程,下面看Context 和Wrapper 容器時如何處理請求的。下面是處理請求的時序圖:
④Context 和wrapper 的處理請求時序圖
從 Tomcat5 開始,子容器的路由放在了 request 中,request 中保 存了當前請求正在處理的 Host、Context 和 wrapper。
③Engine 容器
Engine容器比較簡單,它只定義了一些基本的關聯關系,接口類圖如下:
①Engine 接口的類結構
它的標准實現類是StandardEngine,這個類注意一點就是 Engine沒有父容器了,如果調用 setParent 方法時將會報錯。添加子容器也 只能是 Host 類型的,代碼如下:
②StandardEngine. addChild
public void addChild(Container child) { if (!(child instanceof Host)) throw new IllegalArgumentException (sm.getString("standardEngine.notHost")); super.addChild(child); } public void setParent(Container container) { throw new IllegalArgumentException (sm.getString("standardEngine.notParent")); }
它的初始化方法也就是初始化和它相關聯的組件,以及一些事件的監聽。
④Host容器
Host是 Engine 的字容器,一個Host在 Engine中代表一個虛擬主機,這個虛擬主機的作用就是運行多個應用,它負責安裝和展開這些應用,並且標識這個應用以便能夠區分它們。它的子容器通常是Context,它除了關聯子容器外,還有就是保存一個主機應該有的信 息。
①Host 相關的類圖
從上圖中可以看出除了所有容器都繼承的ContainerBase外, StandardHost還實現了Deployer 接口,上圖清楚的列出了這個接口的主要方法,這些方法都是安裝、展開、啟動和結束每個web application。
Deployer 接口的實現是 StandardHostDeployer,這個類實現了的最要的幾個方法,Host 可以調用這些方法完成應用的部署等。
⑤Context容器
Context 代表 Servlet 的 Context,它具備了 Servlet 運行的基本環 境,理論上只要有 Context 就能運行Servlet 了。簡單的 Tomcat可以沒有 Engine 和 Host。
Context 最重要的功能就是管理它裡面的Servlet實例,Servlet 實 例在 Context 中是以Wrapper 出現的,還有一點就是 Context 如 何才能找到正確的Servlet 來執行它呢?Tomcat5以前是通過一 個 Mapper 類來管理的,Tomcat5 以後這個功能被移到了request 中,在前面的時序圖中就可以發現獲取子容器都是通過request 來分配的。
Context 准備 Servlet 的運行環境是在 Start 方法開始的,這個方法 的代碼片段如下:
①StandardContext.start
public synchronized void start() throws LifecycleException { ……… if( !initialized ) { try { init(); } catch( Exception ex ) { throw new LifecycleException("Error initializaing ", ex); } } ……… lifecycle.fireLifecycleEvent(BEFORE_START_EVENT, null); setAvailable(false); setConfigured(false); boolean ok = true; File configBase = getConfigBase(); if (configBase != null) { if (getConfigFile() == null) { File file = new File(configBase, getDefaultConfigFile()); setConfigFile(file.getPath()); try { File appBaseFile = new File(getAppBase()); if (!appBaseFile.isAbsolute()) { appBaseFile = new File(engineBase(), getAppBase()); } String appBase = appBaseFile.getCanonicalPath(); String basePath = (new File(getBasePath())).getCanonicalPath(); if (!basePath.startsWith(appBase)) { Server server = ServerFactory.getServer(); ((StandardServer) server).storeContext(this); } } catch (Exception e) { log.warn("Error storing config file", e); } } else { try { String canConfigFile = (new File(getConfigFile())).getCanonicalPath(); if (!canConfigFile.startsWith (configBase.getCanonicalPath())) { File file = new File(configBase, getDefaultConfigFile()); if (copy(new File(canConfigFile), file)) { ————————————————————————————— setConfigFile(file.getPath()); } } } catch (Exception e) { log.warn("Error setting config file", e); } } } ……… Container children[] = findChildren(); for (int i = 0; i < children.length; i++) { if (children[i] instanceof Lifecycle) ((Lifecycle) children[i]).start(); } if (pipeline instanceof Lifecycle) ((Lifecycle) pipeline).start(); ……… }
它主要是設置各種資源屬性和管理組件,還有非常重要的就是啟動子容器和 Pipeline。
我們知道 Context 的配置文件中有個 reloadable 屬性,如下面配置:
②Server.xml
當這個 reloadable 設為 true 時,war被修改後 Tomcat 會自動的重新加載這個應用。如何做到這點的呢? 這個功能是在StandardContext的 backgroundProcess 方法中實現的,這個方法的代碼如下:
③StandardContext. backgroundProcess
public void backgroundProcess() { if (!started) return; count = (count + 1) % managerChecksFrequency; if ((getManager() != null) && (count == 0)) { try { getManager().backgroundProcess(); } catch ( Exception x ) { log.warn("Unable to perform background process on manager",x); } } if (getLoader() != null) { if (reloadable && (getLoader().modified())) { try { Thread.currentThread().setContextClassLoader (StandardContext.class.getClassLoader()); reload(); } finally { if (getLoader() != null) { Thread.currentThread().setContextClassLoader (getLoader().getClassLoader()); } } } if (getLoader() instanceof WebappLoader) { ((WebappLoader) getLoader()).closeJARs(false); } } }
它會調用 reload 方法,而 reload方法會先調用 stop方法然後再調用 Start 方法,完成Context 的一次重新加載。可以看出執行reload方法的條件是reloadable 為 true 和應用被修改,那麼這個backgroundProcess 方法是怎麼被調用的呢?
這個方法是在 ContainerBase 類中定義的內部類ContainerBackgroundProcessor被周期調用的,這個類是運行在一個後台線程中,它會周期的執行 run 方法,它的 run 方法會周期調 用所有容器的 backgroundProcess 方法,因為所有容器都會繼承ContainerBase類,所以所有容器都能夠在backgroundProcess 方 法中定義周期執行的事件。
⑥Wrapper容器
Wrapper 代表一個Servlet,它負責管理一個 Servlet,包括的 Servlet的裝載、初始化、執行以及資源回收。Wrapper是最底層的 容器,它沒有子容器了,所以調用它的 addChild 將會報錯。
Wrapper 的實現類是 StandardWrapper,StandardWrapper 還實現 了擁有一個 Servlet 初始化信息的ServletConfig,由此看出 StandardWrapper 將直接和Servlet的各種信息打交道。
下面看一下非常重要的一個方法loadServlet,代碼片段如下:
①StandardWrapper.loadServletpublic synchronized Servlet loadServlet() throws ServletException { ……… Servlet servlet; try { ……… ClassLoader classLoader = loader.getClassLoader(); ……… Class classClass = null; ……… servlet = (Servlet) classClass.newInstance(); if ((servlet instanceof ContainerServlet) && (isContainerProvidedServlet(actualClass) || ((Context)getParent()).getPrivileged() )) { ((ContainerServlet) servlet).setWrapper(this); } classLoadTime=(int) (System.currentTimeMillis() -t1); try { instanceSupport.fireInstanceEvent(InstanceEvent.BEFORE_INIT_EVENT,servlet); if( System.getSecurityManager() != null) { Class[] classType = new Class[]{ServletConfig.class}; Object[] args = new Object[]{((ServletConfig)facade)}; SecurityUtil.doAsPrivilege("init",servlet,classType,args); } else { servlet.init(facade); } if ((loadOnStartup >= 0) && (jspFile != null)) { ……… if( System.getSecurityManager() != null) { Class[] classType = new Class[]{ServletRequest.class, ServletResponse.class}; Object[] args = new Object[]{req, res}; SecurityUtil.doAsPrivilege("service",servlet,classType,args); } else { servlet.service(req, res); } } instanceSupport.fireInstanceEvent(InstanceEvent.AFTER_INIT_EVENT,servlet); ……… return servlet; }
它基本上描述了對Servlet 的操作,當裝載了Servlet後就會調用Servlet的 init方法,同時會傳一個StandardWrapperFacade對象給Servlet,這個對象包裝了StandardWrapper,ServletConfig 與它們的關系圖如下:
②ServletConf 與StandardWrapperFacade、StandardWrapper的關系
Servlet可以獲得的信息都在StandardWrapperFacade封裝,這些信息又是在 StandardWrapper 對象中拿到的。所以 Servlet 可以通 過 ServletConfig 拿到有限的容器的信息。
當 Servlet 被初始化完成後,就等著 StandardWrapperValve 去調用 它的 service 方法了,調用 service 方法之前要調用 Servlet 所有的 filter。
Tomcat 還有其它重要的組件,如安全組件security、logger 日 志組件、session、mbeans、naming 等其它組件。這些組件共同為Connector和 Container 提供必要的服務。
關於Tomcat服務器的了解,算是很長時間的了解了,很好用。本博文中關於Tomcat系統架構的學習和總結,算是個人的理解,寫一寫總結總感覺很有必要,收獲頗多。多加使用,方感頗深。大家有什麼好的理解,歡迎交流!
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