Java-Tomcat 的工作原理

SpringBoot 就像一条巨蟒，慢慢缠绕着我们，使我们麻痹。不得不承认，使用了 SpringBoot 确实提高了工作效率，但同时也让我们遗忘了很多技能。刚入社会的时候，我还是通过 Tomcat 手动部署 JavaWeb 项目，还经常对 Tomcat 进行性能调优。除此之外，还需要自己理清楚各 Jar 之间的关系，以避免 Jar 丢失和各版本冲突导致服务启动异常的问题。到如今，这些繁琐而又重复的工作已经统统交给 SpringBoot 处理，我们可以把更多的精力放在业务逻辑上。但是，清楚 Tomcat 的工作原理和处理请求流程和分析 Spring 框架源码一样的重要。至少面试官特别喜欢问这些底层原理和设计思路。希望这篇文章能给你一些帮助。

Tomcat 整体架构

Tomcat 是一个免费的、开源的、轻量级的 Web 应用服务器。适合在并发量不是很高的中小企业项目中使用。

文件目录结构

以下是 Tomcat 8 主要目录结构：

Tomcat配置文件

我们打开con文件夹可以看到Tomcat的配置文件：

- server.xml: Tomcat的主配置文件，包含Service, Connector, Engine, Realm, Valve, Hosts主组件的相关配置信息；

- web.xml：遵循Servlet规范标准的配置文件，用于配置servlet，并为所有的Web应用程序提供包括MIME映射等默认配置信息；

- tomcat-user.xml：Realm认证时用到的相关角色、用户和密码等信息；Tomcat自带的manager默认情况下会用到此文件；在Tomcat中添加/删除用户，为用户　　指定角色等将通过编辑此文件实现；

- catalina.policy：Java相关的安全策略配置文件，在系统资源级别上提供访问控制的能力；

- catalina.properties：Tomcat内部package的定义及访问相关控制，也包括对通过类装载器装载的内容的控制；Tomcat在启动时会事先读取此文件的相关设置；

- logging.properties: Tomcat6通过自己内部实现的JAVA日志记录器来记录操作相关的日志，此文件即为日志记录器相关的配置信息，可以用来定义日志记录的组　　件级别以及日志文件的存在位置等；

- context.xml：所有host的默认配置信息；

功能组件结构

Tomcat 的核心功能有两个，分别是负责接收和反馈外部请求的连接器 Connector，和负责处理请求的容器 Container。其中连接器和容器相辅相成，一起构成了基本的 web 服务 Service。每个 Tomcat 服务器可以管理多个 Service。

Tomcat 连接器核心原理

Tomcat 连接器框架——Coyote

连接器核心功能

1. 监听网络端口，接收和响应网络请求。

2. 网络字节流处理。将收到的网络字节流转换成 Tomcat Request 再转成标准的 ServletRequest 给容器，同时将容器传来的 ServletResponse 转成 Tomcat Response 再转成网络字节流。

连接器模块设计

为满足连接器的两个核心功能，我们需要一个通讯端点来监听端口；需要一个处理器来处理网络字节流；最后还需要一个适配器将处理后的结果转成容器需要的结构。

对应的源码包路径 org.apache.coyote 。对应的结构图如：

Tomcat 容器核心原理

Tomcat 容器框架——Catalina

容器结构分析

每个 Service 会包含一个容器。容器由一个引擎可以管理多个虚拟主机。每个虚拟主机可以管理多个 Web 应用。每个 Web 应用会有多个 Servlet 包装器。Engine、Host、Context 和 Wrapper，四个容器之间属于父子关系。

对应的源码包路径 org.apache.coyote 。对应的结构图如下：

容器请求处理

容器的请求处理过程就是在 Engine、Host、Context 和 Wrapper 这四个容器之间层层调用，最后在 Servlet 中执行对应的业务逻辑。各容器都会有一个通道 Pipeline，每个通道上都会有一个 Basic Value（如StandardEngineValue）， 类似一个闸门用来处理 Request 和 Response 。其流程图如下。

Tomcat 请求处理流程

上面的知识点已经零零碎碎地介绍了一个 Tomcat 是如何处理一个请求。简单理解就是连接器的处理流程 + 容器的处理流程 = Tomcat 处理流程。哈！那么问题来了，Tomcat 是如何通过请求路径找到对应的虚拟站点？是如何找到对应的 Servlet 呢？

映射器功能介绍

这里需要引入一个上面没有介绍的组件 Mapper。顾名思义，其作用是提供请求路径的路由映射。根据请求URL地址匹配是由哪个容器来处理。其中每个容器都会它自己对应的Mapper，如 MappedHost。不知道大家有没有回忆起被 Mapper class not found 支配的恐惧。在以前，每写一个完整的功能，都需要在 web.xml 配置映射规则，当文件越来越庞大的时候，各个问题随着也会出现。

HTTP请求流程

打开 tomcat/conf 目录下的 server.xml 文件来分析一个http://localhost:8080/docs/api 请求。

1. 第一步：连接器监听的端口是8080。由于请求的端口和监听的端口一致，连接器接受了该请求。

2. 第二步：因为引擎的默认虚拟主机是 localhost，并且虚拟主机的目录是webapps。所以请求找到了 tomcat/webapps 目录。

3. 第三步：解析的 docs 是 web 程序的应用名，也就是 context。此时请求继续从 webapps 目录下找 docs 目录。有的时候我们也会把应用名省略。

4. 第四步：解析的 api 是具体的业务逻辑地址。此时需要从 docs/WEB-INF/web.xml 中找映射关系，最后调用具体的函数。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN">

  <Service name="Catalina">

	<!-- 连接器监听端口是 8080，默认通讯协议是 HTTP/1.1 -->
    <Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
               connectionTimeout="20000"
               redirectPort="8443" />
			   
	<!-- 名字为 Catalina 的引擎，其默认的虚拟主机是 localhost -->
    <Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">

	  <!-- 名字为 localhost 的虚拟主机，其目录是 webapps-->
      <Host name="localhost"  appBase="webapps"
            unpackWARs="true" autoDeploy="true">

      </Host>
    </Engine>
  </Service>
</Server>

SpringBoot 如何启动内嵌的 Tomcat

SpringBoot 一键启动服务的功能，让有很多刚入社会的朋友都忘记 Tomcat 是啥。随着硬件的性能越来越高，普通中小项目都可以直接用内置 Tomcat 启动。但是有些大一点的项目可能会用到 Tomcat 集群和调优，内置的 Tomcat 就不一定能满足需求了。

我们先从源码中分析 SpringBoot 是如何启动 Tomcat，以下是 SpringBoot 2.x 的代码。

代码从 main 方法开始，执行 run 方法启动项目。

SpringApplication.run

从 run 方法点进去，找到刷新应用上下文的方法。

this.prepareContext(context, environment, listeners, applicationArguments, printedBanner);
this.refreshContext(context);
this.afterRefresh(context, applicationArguments);

从 refreshContext 方法点进去，找 refresh 方法。并一层层往上找其父类的方法。

this.refresh(context);

在 AbstractApplicationContext 类的 refresh 方法中，有一行调用子容器刷新的逻辑。

this.postProcessBeanFactory(beanFactory);
this.invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);
this.registerBeanPostProcessors(beanFactory);
this.initMessageSource();
this.initApplicationEventMulticaster();
this.onRefresh();
this.registerListeners();
this.finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);
this.finishRefresh();

从 onRefresh 方法点进去，找到 ServletWebServerApplicationContext 的实现方法。在这里终于看到了希望。

protected void onRefresh() {
    super.onRefresh();

    try {
        this.createWebServer();
    } catch (Throwable var2) {
        throw new ApplicationContextException("Unable to start web server", var2);
    }
}

从 createWebServer 方法点进去，找到从工厂类中获取 WebServer的代码。

if (webServer == null && servletContext == null) {
    ServletWebServerFactory factory = this.getWebServerFactory();
    // 获取 web server 
    this.webServer = factory.getWebServer(new ServletContextInitializer[]{this.getSelfInitializer()});
} else if (servletContext != null) {
    try {
        // 启动 web server
        this.getSelfInitializer().onStartup(servletContext);
    } catch (ServletException var4) {
        throw new ApplicationContextException("Cannot initialize servlet context", var4);
    }
}

从 getWebServer 方法点进去，找到 TomcatServletWebServerFactory 的实现方法，与之对应的还有 Jetty 和 Undertow。这里配置了基本的连接器、引擎、虚拟站点等配置。

public WebServer getWebServer(ServletContextInitializer... initializers) {
    Tomcat tomcat = new Tomcat();
    File baseDir = this.baseDirectory != null ? this.baseDirectory : this.createTempDir("tomcat");
    tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath());
    Connector connector = new Connector(this.protocol);
    tomcat.getService().addConnector(connector);
    this.customizeConnector(connector);
    tomcat.setConnector(connector);
    tomcat.getHost().setAutoDeploy(false);
    this.configureEngine(tomcat.getEngine());
    Iterator var5 = this.additionalTomcatConnectors.iterator();

    while(var5.hasNext()) {
        Connector additionalConnector = (Connector)var5.next();
        tomcat.getService().addConnector(additionalConnector);
    }

    this.prepareContext(tomcat.getHost(), initializers);
    return this.getTomcatWebServer(tomcat);
}

服务启动后会打印日志:

o.s.b.w.embedded.tomcat.TomcatWebServer  : Tomcat initialized with port(s): 8900 (http)
o.apache.catalina.core.StandardService   : Starting service [Tomcat]
org.apache.catalina.core.StandardEngine  : Starting Servlet Engine: Apache Tomcat/8.5.34
o.a.catalina.core.AprLifecycleListener   : The APR based Apache Tomcat Native library which allows optimal ...
o.a.c.c.C.[Tomcat].[localhost].[/]       : Initializing Spring embedded WebApplicationContext
o.s.web.context.ContextLoader            : Root WebApplicationContext: initialization completed in 16858 ms