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搞定Tomcat,这也太厉害了叭!

互联网技术飞速发展的今天,各种不同的 Web 应用层出不穷,Tomcat 作为 Web 应用的容器承载着 Web 请求处理和响应的工作。

作者:崔皓 来源:51CTO技术栈|2021-11-01 07:50

【51CTO.com原创稿件】互联网技术飞速发展的今天,各种不同的 Web 应用层出不穷,Tomcat 作为 Web 应用的容器承载着 Web 请求处理和响应的工作。

图片来自 Pexels

大部分企业的 Web 应用都运行在它上面,Tomcat 对于程序员来说算是老朋友了,那么今天带大家走近这位老朋友,看看它是如何处理 Web 请求,以及它内部的体系结构,这对帮助我们理解 Tomcat 的使用大有益处。

本文你将会学会如下内容:

  • Web 容器与 Tomcat
  • Tomcat 连接器
  • Tomcat 容器

Web 容器与 Tomcat

要说清楚 Tomcat 做的事情先要从早期的 Web 应用说起。

图 1:浏览器通过 HTTP 服务器获取静态资源

如图 1 所示,最开始用户通过浏览器查看诸如新闻之类的静态资源,此时就需要通过 HTTP 服务器向浏览器返回静态 HTML 资源,浏览器将解析的 HTML 呈现给使用者。

这里的 Web 容器就是用来存放 HTTP 服务器,能够处理网络请求并且进行响应。

随着互联网的发展,用户需求从静态资源转向了动态资源的获取,同时浏览器在资源获取的同时还会与服务端进行一些交互。

由此 Web 容器的功能开始有了扩展,除了能够处理 HTTP 请求,还需要 HTTP 服务器调用服务端程序也就是常说的 Web 应用。

图 2:通过 HTTP 服务器调用 Web 应用

针对这种需求,Sun 公司推出了 Servlet 技术, Servlet 是运行在服务端的 Java 小程序。

由于 Servlet 不能独立运行,因此需要由一个 Servlet 容器来承载它,并且对其进行初始化启动等管理操作。

图 3:Servlet 容器的引入

如图 3 所示,为了满足用户日益增常的需求在 Web 容器中加入了 Servlet 作为 Web 应用为用户提供动态资源。

为了承载 Servlet,也加入了 Servlet 容器,不过每个 Servlet 都代表一个业务类,包含了一些业务应用如果都接入到 Web 容器中会用户提供统一的服务响应就需要遵循统一的接口。

说白了就是要遵守一定规则才能放到 Servlet 容器中,方便进行管理,那么这个规则就是 Servlet 接口。从图中可以看出 Servlet 接口会对单个的 Servlet 进行标准定义。

图 4:Servlet 接口

如图 4 所示,对于 Servlet 接口而言定义了 init 方法用做 Servlet 资源的初始化,同时也定义 destroy 方法用做 Servlet 资源的释放。

其中 Service 方法用来实现具体的业务需求,可以看到该方法传入 ServletRequest 和 ServletResponse 两个参数,分别表示封装了用户的请求信息和 Servlet 的响应信息。

在后面我们会介绍到 Spring MVC 在 Tomcat 中运行时也是以 Servlet 的方式存在,由 DispatcherServlet 在 init 方法里创建 Spring MVC 容器。

接口中的 getServletConfig 方法会返回 ServletConfig,ServletConfig 是用来封装 Servlet 的初始化参数的,可以在 web.xml 配置 Servlet 参数,然后通过 getServletConfig 方法获取参数。

上面介绍了 Servlet 接口一下,再通过图 5 对 Servlet 接口调用的周边类进行深入了解。

图 5:Sevlet 类关系图

如图 5 所示,Servlet 接口依赖 ServletConfig 接口,该接口正好是用来处理 Servlet 配置参数的,ServletConfig 接口同时也会关联 ServletContext 获取 Servlet 上下文的信息。

Servlet 接口中的 service 方法依赖两个参数分别是 ServletRequest 和 ServletResponse。

同时有两个接口 HttpServletRequest 和 HttpServletResponse 会分别继承 ServletRequest 和 ServletResponse。

一般而言 Servlet 作为接口需要具体的实现类去实现这个接口,因此 Servlet 规范提供了一个抽象类名叫 GenericServlet,它实现了 Servlet。

接着有一个 HttpServlet 的类继承 GenericServlet,为了处理 HTTP 请求这类也会依赖 HttpServletRequest 和 HttpServletResponse。

Servlet 接口定义是 Servlet 容器的重要组成部分,Servlet 容器通过接口去管理接入的 Servlet 实体。

接下来看看 Servlet 容器的分类,这里按照工作模式将 Servlet 容器分为 3 类:

①独立运行的 Servlet 容器

在这种模式下,Servlet 容器作为构成 Web 服务器的一部分。当使用 Java 的 Web 服务器时会使用这种模式也是,Tomcat 的默认模式,如果不是基于 Java 的 Web 服务就需要使用下面两种模式。

②内置的 Servlet 容器

Servlet 容器由 Web 服务器插件和 Java 容器两部分组成。需要在 Web 服务器内部地址空间中打开一个 JVM,在此 JVM 上加载 Java 容器并运行 Servlet。

当容器请求 Servlet 的时候 Web 服务器插件会请求加载在这个 JVM 上的 Servlet,将请求通过 JNI 技术传递给 Java 容器,然后由 Java 容器把请求传给 Servlet 处理。

③外置的 Servlet 容器

Servlet 容器运行在 Web 服务器外部地址空问。通过 Web 服务器插件在 Web 服务器外部地址空间打开一个 JVM,用来加载 Java 容器来运行 Servlet。Web 服务器插件和 JVM 之间使用 IPC(进程间通信)机制通信。

Web 服务器将请求通过 IPC 技术传递给 Java 容器,然后 Java 容器把此请求交给 Servlet 来处理。

在了解 Servlet 接口规范和 Servlet 容器以后,我们知道如果需要加载不同的动态资源(Web 应用)需要利用 Servlet 容器去加载对应的 Servlet,那么这个加载过程是如何进行的?

我们接下来看看 Servlet 的请求和响应流程。

图 6:Servlet 请求和响应流程

如图 6 所示,这里通过 8 个步骤展示了 HTTP 请求和响应的流程:

  • 用户通过浏览器发起 HTTP 请求。
  • Servlet 容器在接受到请求以后会对 HTTP 请求进行解析。
  • 通过解析的结果以及配置信息创建 Servlet 实例。
  • 实例创建以后调用 Servlet 实例的 init 方法完成实例初始化工作。
  • 接下来就是调用 Servlet 中的 Service 方法完成具体业务。
  • Service 方法完成以后会将响应信息返回给 Servlet 容器。
  • Servlet 容器将 Servlet 返回的信息创建成 HTTP 响应返回给浏览器端。
  • 最后,Servlet 容器调用 destroy 方法卸载掉 Servlet,并且释放对应的资源。

写到这里给大家做一个小节,Web 容器是用来提供提供 Web 服务器的,当用户请求 Web 容器的时候,会通过 HTTP 服务器对 HTTP 请求进行解析,让后将解析以后的请求交给 Servlet 容器。

Servlet 容器负责定义 Servlet 接口规范和管理 Servlet 程序,所有的 Web 应用都会以 Servlet 的形式存在,每个 Servlet 都需要遵循 Servlet 接口的定义,根据 Servlet 的处理流程响应用户的请求。

Tomcat 就是我们所示的这个 Web 容器,上面说的这些原理和处理过程就是 Tomcat 的工作。

简单点说 Tomcat=HTTP 服务器+Servlet 容器(Servlet 接口规范),只要服务 Servlet 接口的 Servlet 都可以在 Tomcat 上面运行,并且对外提供服务。

Tomcat 连接器

上一节介绍了 Tomcat 的设计思路,作为 Web 容器的 Tomcat 实现了 HTTP 服务器和 Servlet 容器的功能,

因此可以归纳为两大功能:

  • 第一处理 Socket 连接,负责对网络请求解析成对应的 Request 和 Response 对象。
  • 第二加载和管理 Servlet,并且处理 Request 返回 Response。

因此,引出了 Tomcat 的两大核心组件:连接器(Connector)和容器(Container),其中连接器负责对外沟通,容器负责内部 Servlet 的管理。

图 7:Tomcat 的连接器与容器

如图 7 所示,当浏览器有 Request 到 Tomcat 的时候,连接器会对其进行解析生成对应的 ServletRequest 并且传给容器进行处理。

容器处理完毕以后会返回连接器 ServletResponse,同理连接器会将 ServletResponse 解析成 Response 并且返回给浏览器。

介绍了连接器和容器之前的关系之后,让我们将目光聚焦到连接器所支持的三种应用层协议上:

  • HTTP/1.1协议:这是绝大多数 Web 应用采用的访问协议,主要用于 Tomcat 单独运行(不予 Web 服务器集成)的情况。
  • AJP 协议:用于和 Web 服务器(如 Apache HTTP Server)集成,以实现针对静态资源的优化以及集群部署,当前支持 AJP/1.3。
  • HTTP/2.0 协议:下一代 HTTP 协议,自 Tomcat8.5 以及 9.0 版本开始支持,截止目前,主流的最新版本均已支持 HTTP/2.0。

上面了解了 Tomcat 在接收网络请求的协议,下面就介绍接收网络请求之后连接器的动作。

Tomcat 连接器会通过以下几个组件对网络请求进行处理:

①Endpoint:作为连接器的通信端点负责监听通信端口,它实现了 Socket 接收处理类,并对传输层的抽象。

由于网络通信的 I/O 模型包括:非阻塞 I/O、异步 I/O 或者 APR。应用层协议包括:HTTP、HTTPS、AJP。

Endpoint 机制实际是为了适配不同的 IO 模型以及协议模型,因此会提供 NioEndpoint(NIO)、AprEndpoint(APR)以及 Nio2Endpoint(NIO2)三种通信实现。

②Processor:负责把接收到的网络请求构造成 Request 和 Response 对象,并且通过 Adapter 将其提交到容器处理。

如果说 Endpoint 是用来实现 TCP/IP 协议的,那么 Processor 用来实现 HTTP 协议,可以将 Processor 理解为是对应用层的抽象。Processor 是单线程的,Tomcat 在同一次链接中复用 Processor。

Tomcat 按照协议的不同提供了 3 个实现类:

  • Http11Processor(HTTP/1.1)
  • AjpProcessor(AJP)
  • StreamProcessor(HTTP/2.0)

同时它还提供了两个实现:

  • UpgradeProcessorInternal,用于处理内部支持的升级协议(如 HTTP/2.0 和 WebSocket)。
  • UpgradeProcessorExternal,用于处理外部扩展的升级协议支持。

③ProtocolHandler:是对 Endpoint 以及 Processor 的抽象。由于 Endpoint 负责 I/O 模型和 Processor 负责应用层协议,两者合作工作会出现组合,比如 NIO+HTTP 或者 NIO2+AJP。

于是通过 ProtocolHandler 将两者进行封装,封装的也是两者组合产生的变化。例如:Http11NioProtocol 和 AjpNioProtocol。

如图 8 所示, Tomcat 设计抽象基类来封装这部分,抽象基类 AbstractProtocol 实现了 ProtocolHandler 接口。

图 8:ProtocolHandler 封装 Endpoint 和 Processor

每一种应用层协议有自己的抽象基类,比如 AbstractAjpProtocol 和 AbstractHttp11Protocol。

④Adapter:负责请求的转换,将 Tomcat Request 对象转化成 ServletRequest 对象。

由于 Tomcat 可以加载任意符合 Servlet 接口规范的 Servlet 实例,因此需要使用 ServletRequest 对象与之通信,因此需要使用该组件完成请求对象的适配。

前面介绍了 Tomcat 连接器的几个组件,这里将连接器处理请求的流程整理一下,如图 9 所示。

图 9:Tomcat 连接器

用户通过浏览器对 Tomcat 发起请求,连接器通过 Endpoint 接收请求通过 I/O 模型处理以后将结果交给 Processor。

Processor 进行应用层协议处理再将请求交给 Adapter,Adapter 将适配以后的 ServletRequest 发给容器处理。

Tomcat 容器

上面我们说了 Tomcat 的连接器,它承载了处理网络 IO 请求和协议处理的工作,并且将请求适配发送给容器。

接下来就来看看 Tomcat 容器需要完成的工作,首先来看看容器的组成,如图10 所示:

图 10:Tomcat 容器

Tomcat 容器中会包含一个 Engine 容器,一个 Engine 容器可以包含多个 Host 容器,每个 Host 容器可以包含多个 Context 容器,也就是说 Host 下面可以包含多个应用,每个应用对应一个 Context 容器。

每个 Context 容器作为应用,可以包含多个 Wrapper 容器:每个 Wrapper 容器包含一个 Servlet 容器,也就是说 Tomcat 允许一个应用有多个 Servlet 实现。

介绍完 Tomcat 的容器组成,我们知道它是由 Engine、Host、Context 和 Wrapper 组成的,并且知道了它们之间的包含关系,接下来就来看看每个组件需要完成的工作。

Tomcat 的四种容器都有相同的结构,包括:

  • Pipeline:用于处理请求中的信息,每个 Pipeline 包含多个阀门 Valve,每个 Valve 都有同样的方法 invoke(Request request,Response response),在这个方法中就可以处理请求中的信息。
  • BaseValve:基础阀门,它和 Piple 中的阀门 Value 有相同方法:invoke(Request request,Response response),其主要作用是用来连接父子容器,将请求从父容器传向子容器。

假设 Servlet 是处理最终请求的实体,那么请求从 Engine 到 Host 再到 Context,最终达到 Wrapper 可以想象成一个传输的链条。

这个链条就是通过 Pipeline 来连接,链条中的处理节点就是阀门 Value,每个链条之间的接头就是基础阀门 BaseValue。

如图 11 所示,连接器在接收到浏览器传来的请求之后,会将请求转发给容器中 Engine。

图 11:Tomcat 容器之间的信息传递

Engine 中将信息通过 Pipeline 进行传递,其中 Value 就是阀门,它可以通过 invoke 方法对请求信息进行处理。

信息通过阀门在 Pipeline 中传递后,会通过基础阀门,也就是 BaseValue 传递到下一个容器组件 Host 中去,Host 如法炮制将信息逐层通过 Context 传递到 Wrapper 中。

①Engine

Tomcat 中的连接器接受并解析消息之后,会把消息的转给 Engine 容器,用户可以给 Engine 容器的 Pipeline 添加各种自定义的 Valve,Engine 容器会将逐一调用 Pipeline 中的 Valve。

Engine 容器的 BaseValve 是 StandardEngineValve,这个 Valve 会读取 Request 中的 Host 信息,然后把请求路由给对应的 Host 容器。

②Host

Host 是 Engine 的子容器,每个 Host 容器都是一个虚拟主机,对应于不同的域名。

HTTP 协议从 1.1 开始,支持在请求头里面添加 Host 字段用来表示请求的域名。

Host 就是通过解析这个域名来判断将请求发送到不同的 Host。DNS 域名解析的时候,可以将不同的域名解析到同一个 IP 或者主机。

Engine 容器的 BaseValve 会读取 Request 中的 Host,然后调用对应 Host 容器的 Pipeline 去处理消息。

假设 Tomcat 支持三个域名:

  • http://www.a.com
  • http://www.b.com
  • http://www.c.com

在 Tomcat 的配置文件 server.xml 中的 Engine 标签下面添加多个 Host 标签。

如图 12 所示,配置中的 Host 节点中 name 表示域名,appbase 表示虚拟主机的目录。

图 12:Host 配置

当我们在浏览器输入 http://www.a.com 时,Tomcat 通过读取 server.xml 中的配置信息,找到 www.a.com 对应的虚拟主机 Host,然后就使用查找到的 Host 来处理请求。

③Context

代表在虚拟主机上运行的一个 Web 应用。每个 Web 应用基于 WAR 文件,或 WAR 文件解压后对应的目录(这里称为应用目录)Context 是 Host 的子容器,每个 Host 都可以定义任意多的 Context 元素。

④Wrapper

它是最小的容器,每个 Wrapper 对应一个 Servlet 实例。

当请求转发到 Wrapper 容器之后,Wrapper 容器在调用 Pipeline 方法之后,会使用特定的类加载器去加载 Servlet 类,对 Servlet 进行实例化和初始化,然后将请求交给 Servlet 的 service 方法进行处理。

上面把 Tomcat 容器的四个组件逐一给大家做了介绍,这里通过一个例子带大家把请求容器的流程走一遍。

图 13:Tomcat 容器执行流程

如图 13 所示:

  • 假设浏览器对 Tomcat 的连接器发送请求,对 www.a.com 网站发送 GET 请求,请求内容是 /AppA/ServletA。
  • 连接器按照指定的协议和 IO 方式处理请求 Socket 消息,解析 Socket 为对应的 Request 实体,并且将其传递给容器中的 Engine。
  • 连接器将请求交给 Engine 容器,Engine 容器存储了请求域名和 Host 容器之间的映射关系。找到"www.a.com"域名对应 Host 容器,并把请求交给对应的 Host。
  • Host 容器继续解析请求中的路径,如果配置了路径和应用之间的关系,比如"/AppA"对应的 Context 容器,Host 容器会安装配置将请求交给对应应用的 Context 容器。
  • Host 容器解析路径并将应用交给 Context 容器之后,可以通过路径来将不同的请求映射到不同的 Servlet 容器。比如图中的"/ServletA"对应 Wrapper 容器,Context 容器将请求交给 Wrapper 容器。
  • 随后 Wrapper 容器会加载对应的 ServletA 实现类,调用 servlet 实现类中的逻辑处理 Request 并将处理结果写入 Response 中。

总结

本文主要围绕 Tomcat 的体系结构看开给大家介绍,首先通过 Web 应用提供的静态和动态资源切入引出了 Servlet 的 Web 应用。

因此 HTTP 服务器和 Servlet 容器的功能就组成了 Web 应用,这就是 Tomcat 的实现原理。

然后介绍 Tomcat 的两个重要组件:连接器和容器。连接器处理 IO 模型和传输协议并且进行了请求适配。

容器包含了 Engine、Host、Context、Wrapper,并且描述了它们的父子关系以及每个组件的功能,通过一个例子描述了容器组件之间请求传递的过程。

作者:崔皓

简介:十六年开发和架构经验,曾担任过惠普武汉交付中心技术专家,需求分析师,项目经理,后在创业公司担任技术/产品经理。善于学习,乐于分享。目前专注于技术架构与研发管理。

编辑:陶家龙

征稿:有投稿、寻求报道意向技术人请联络 editor@51cto.com

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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