|
|
51CTO旗下网站
|
|
移动端

【深入揭秘Tomcat服务器底层原理】扒下这只又爱又恨的“Tom猫”

Tomcat是开源的 Java Web 应用服务器,实现了 Java EE 的部分技术规范,比如 Java Servlet、Java Server Page、JSTL、Java WebSocket。

作者:java互联网架构来源:今日头条|2019-11-19 15:08

Tomcat是什么?

Tomcat是开源的 Java Web 应用服务器,实现了 Java EE 的部分技术规范,比如 Java Servlet、Java Server Page、JSTL、Java WebSocket。Java EE 是 Sun 公 司为企业级应用推出的标准平台,定义了一系列用于企业级开发的技术规范。除了上述的之外,还有 EJB、Java Mail、JPA、JTA、JMS 等,而这些都依赖具体容器的实现。

上图对比了 Java EE 容器的实现情况,Tomcat 和 Jetty 都只提供了 Java Web 容器必需的 Servlet 和 JSP 规范,开发者要想实现其他的功能,需要自己依赖其他开源实现。

Glassfish 是由 sun 公司推出,Java EE 最新规范出来之后,首先会在 Glassfish 上进行实现,所以是研究 Java EE 最新技术的首选。

最常见的情况是使用 Tomcat 作为 Java Web 服务器,使用 Spring 提供的开箱即用的强大功能,并依赖其他开源库来完成负责的业务功能实现。

Servlet容器

Tomcat 组成

如下图所示,主要有 Container 和 Connector 以及相关组件构成。

  • Server:指的就是整个 Tomcat 服 务器,包含多组服务,负责管理和 启动各个 Service,同时监听 8005 端口发过来的 shutdown 命令,用 于关闭整个容器 ;
  • Service:Tomcat 封装的、对外提 供完整的、基于组件的 web 服务, 包含 Connectors、Container 两个 核心组件,以及多个功能组件,各 个 Service 之间是独立的,但是共享 同一 JVM 的资源 ;
  • Connector:Tomcat 与外部世界的连接器,监听固定端口接收外部请求,传递给 Container,并 将 Container 处理的结果返回给外部
  • Container:Catalina,Servlet 容器,内部有多层容器组成,用于管理 Servlet 生命周期,调用 servlet 相关方法
  • Loader:封装了 Java ClassLoader,用于 Container 加载类文件;Realm:Tomcat 中为 web 应用程序提供访问认证和角色管理的机制;
  • JMX:Java SE 中定义技术规范,是一个为应用程序、设备、系统等植入管理功能的框架,通过 JMX 可以远程监控 Tomcat 的运行状态
  • Jasper:Tomcat 的 Jsp 解析引擎,用于将 Jsp 转换成 Java 文件,并编译成 class 文件。Session:负责管理和创建 session,以及 Session 的持久化(可自定义),支持 session 的集群。
  • Pipeline:在容器中充当管道的作用,管道中可以设置各种 valve(阀门),请求和响应在经由管 道中各个阀门处理,提供了一种灵活可配置的处理请求和响应的机制。
  • Naming:命名服务,JNDI, Java 命名和目录接口,是一组在 Java 应用中访问命名和目录服务的 API。命名服务将名称和对象联系起来,使得我们可以用名称访问对象,目录服务也是一种命名 服务,对象不但有名称,还有属性。Tomcat 中可以使用 JNDI 定义数据源、配置信息,用于开发 与部署的分离。

Container组成

  • Engine:Servlet 的顶层容器,包含一 个或多个 Host 子容器;
  • Host:虚拟主机,负责 web 应用的部 署和 Context 的创建;
  • Context:Web 应用上下文,包含多个 Wrapper,负责 web 配置的解析、管 理所有的 Web 资源;
  • Wrapper:最底层的容器,是对 Servlet 的封装,负责 Servlet 实例的创 建、执行和销毁。

生命周期管理

Tomcat 为了方便管理组件和容器的生命周期,定义了从创建、启动、到停止、销毁共 12 种状态。

tomcat 生命周期管理了内部状态变化的规则控制,组件和容器只需实现相应的生命周期方法,即可完成各生命周期内的操作(initInternal、startInternal、stopInternal、 destroyInternal);

比如执行初始化操作时,会判断当前状态是否 New,如果不是则抛出生命周期异常;是的话则设置当前状态为 Initializing,并执行 initInternal 方法,由子类实现,方法执行成功则设置当前状态为 Initialized,执行失败则设置为 Failed 状态;

Tomcat 的生命周期管理引入了事件机制,在组件或容器的生命周期状态发生变化时会通知事件监听器,监听器通过判断事件的类型来进行相应的操作。事件监听器的添加可以在 server.xml 文件中进行配置;

Tomcat 各类容器的配置过程是通过添加 listener 的方式来进行的,从而达到配置逻辑与容器的解耦。如 EngineConfig、HostConfig、ContextConfig。

  • EngineConfig:主要打印启动和停止日志
  • HostConfig:主要处理部署应用,解析应用 META-INF/context.xml 并创建应用
  • Context ContextConfig:主要解析并合并 web.xml,扫描应用的各类 web 资源 (filter、servlet、listener)

Tomcat 的启动过程

启动从 Tomcat 提供的 start.sh 脚本开始,shell 脚本会调用 Bootstrap 的 main 方法,实际调用了 Catalina 相应的 load、start 方法。

load 方法会通过 Digester 进行 config/server.xml 的解析,在解析的过程中会根据 xml 中的关系 和配置信息来创建容器,并设置相关的属性。

接着 Catalina 会调用 StandardServer 的 init 和 start 方法进行容器的初始化和启动。

按照 xml 的配置关系,server 的子元素是 service,service 的子元素是顶层容器 Engine,每层容器都持有自己的子容器,而这些元素都实现了生命周期管理的各个方法,因此就很容易的完成整个容器的启动、关闭等生命周期的管理。

StandardServer 完成 init 和 start 方法调用后,会一直监听来自 8005 端口(可配置)。

如果接收 到 shutdown 命令,则会退出循环监听,执行后续的 stop 和 destroy 方法,完成 Tomcat 容器的关闭。

同时也会调用 JVM 的 Runtime.getRuntime()﴿.addShutdownHook 方法,在虚拟机意外退出的时候来关闭容器。

所有容器都是继承自 ContainerBase,基类中封装了容器中的重复工作,负责启动容器相关的组件 Loader、Logger、Manager、Cluster、Pipeline,启动子容器(线程池并发启动子容器,通过线程池 submit 多个线程,调用后返回 Future 对象,线程内部启动子容器,接着调用 Future 对象 的 get 方法来等待执行结果)。

  1. List<future> results = new ArrayList<future>();  
  2. for (int i = 0; i < children.length; i++) {  
  3. results.add(startStopExecutor.submit(new StartChild(children[i])));  
  4.  
  5. boolean fail = false 
  6. for (Futureresult :results) {  
  7. try {  
  8. result.get();  
  9. } catch (Exception e) {  
  10. log.error(sm.getString("containerBase.threadedStartFailed"), e);  
  11. fail = true 
  12.  

Web 应用的部署方式

注:catalina.home:安装目录;catalina.base:工作目录;默认值 user.dir

  • Server.xml 配置 Host 元素,指定 appBase 属性,默认\$catalina.base/webapps/
  • Server.xml 配置 Context 元素,指定 docBase,元素,指定 web 应用的路径
  • 自定义配置:在\$catalina.base/EngineName/HostName/XXX.xml 配置 Context 元素

HostConfig 监听了 StandardHost 容器的事件,在 start 方法中解析上述配置文件:

  • 扫描 appbase 路径下的所有文件夹和 war 包,解析各个应用的 META-INF/context.xml,并 创建 StandardContext,并将 Context 加入到 Host 的子容器中。
  • 解析$catalina.base/EngineName/HostName/下的所有 Context 配置,找到相应 web 应 用的位置,解析各个应用的 META-INF/context.xml,并创建 StandardContext,并将 Context 加入到 Host 的子容器中。

注:

  • HostConfig 并没有实际解析 Context.xml,而是在 ContextConfig 中进行的。
  • HostConfig 中会定期检查 watched 资源文件(context.xml 配置文件)

ContextConfig 解析 context.xml 顺序:

  • 先解析全局的配置 config/context.xml
  • 然后解析 Host 的默认配置 EngineName/HostName/context.xml.default
  • 最后解析应用的 META-INF/context.xml

ContextConfig 解析 web.xml 顺序:

  • 先解析全局的配置 config/web.xml
  • 然后解析 Host 的默认配置 EngineName/HostName/web.xml.default 接着解析应用的 MEB-INF/web.xml
  • 扫描应用 WEB-INF/lib/下的 jar 文件,解析其中的 META-INF/web-fragment.xml 最后合并 xml 封装成 WebXml,并设置 Context

注:

  • 扫描 web 应用和 jar 中的注解(Filter、Listener、Servlet)就是上述步骤中进行的。
  • 容器的定期执行:backgroundProcess,由 ContainerBase 来实现的,并且只有在顶层容器 中才会开启线程。(backgroundProcessorDelay=10 标志位来控制)

Servlet 生命周期

Servlet 是用 Java 编写的服务器端程序,其主要功能在于交互式地浏览和修改数据,生成动态 Web 内容。

  1. 请求到达 server 端,server 根据 url 映射到相应的 Servlet
  2. 判断 Servlet 实例是否存在,不存在则加载和实例化 Servlet 并调用 init 方法
  3. Server 分别创建 Request 和 Response 对象,调用 Servlet 实例的 service 方法(service 方法 内部会根据 http 请求方法类型调用相应的 doXXX 方法)
  4. doXXX 方法内为业务逻辑实现,从 Request 对象获取请求参数,处理完毕之后将结果通过 response 对象返回给调用方
  5. 当 Server 不再需要 Servlet 时(一般当 Server 关闭时),Server 调用 Servlet 的 destroy() 方 法。
  1. load on startup 

当值为 0 或者大于 0 时,表示容器在应用启动时就加载这个 servlet; 当是一个负数时或者没有指定时,则指示容器在该 servlet 被选择时才加载; 正数的值越小,启动该 servlet 的优先级越高;

  1. single thread model 

每次访问 servlet,新建 servlet 实体对象,但并不能保证线程安全,同时 tomcat 会限制 servlet 的实例数目。

请求处理过程

  1. 根据 server.xml 配置的指定的 connector 以及端口监听 http、或者 ajp 请求
  2. 请求到来时建立连接,解析请求参数,创建 Request 和 Response 对象,调用顶层容器 pipeline 的 invoke 方法
  3. 容器之间层层调用,最终调用业务 servlet 的 service 方法
  4. Connector 将 response 流中的数据写到 socket 中

Pipeline 与 Valve

Pipeline 可以理解为现实中的管道,Valve 为管道中的阀门,Request 和 Response 对象在管道中 经过各个阀门的处理和控制。

每个容器的管道中都有一个必不可少的 basic valve,其他的都是可选的,basic valve 在管道中最 后调用,同时负责调用子容器的第一个 valve。

Valve 中主要的三个方法:setNext、getNext、invoke;valve 之间的关系是单向链式结构,本身 invoke 方法中会调用下一个 valve 的 invoke 方法。

各层容器对应的 basic valve 分别是 StandardEngineValve、StandardHostValve、 StandardContextValve、StandardWrapperValve。

JSP引擎

JSP 生命周期

  • 编译阶段:servlet 容器编译 servlet 源文
  • 件,生成 servlet 类
  • 初始化阶段:加载与 JSP 对应的 servlet 类, 创建其实例,并调用它的初始化方法
  • 执行阶段:调用与 JSP 对应的 servlet 实例的 服务方法
  • 销毁阶段:调用与 JSP 对应的 servlet 实例的 销毁方法,然后销毁 servlet 实例

JSP元素

代码片段:<%>

JSP声明:<%! ...="">

JSP表达式:<%=>

JSP注释:<%-->

JSP指令:<%@ directive="" attribute="“value”">

JSP行为:

HTML元素:html/head/body/div/p/…

JSP隐式对象:request、response、out、session、application、config、pageContext、page、Exception

JSP 元素说明

  • 代码片段:包含任意量的 Java 语句、变量、方法或表达式;
  • JSP 声明:一个声明语句可以声明一个或多个变量、方法,供后面的 Java 代码使用;
  • JSP 表达式:输出 Java 表达式的值,String 形式;
  • JSP 注释:为代码作注释以及将某段代码注释掉
  • JSP 指令:用来设置与整个 JSP 页面相关的属性
  • <%@ page="" ...="">定义页面的依赖属性,比如 language、contentType、errorPage、 isErrorPage、import、isThreadSafe、session 等等
  • <%@ include="" ...="">包含其他的 JSP 文件、HTML 文件或文本文件,是该 JSP 文件的一部分,会被同时编译执行
  • <%@ taglib="" ...="">引入标签库的定义,可以是自定义标签
  • JSP 行为:jsp:include、jsp:useBean、jsp:setProperty、jsp:getProperty、jsp:forward

JSP 解析过程

  • 代码片段:在_jspService()方法内直接输出
  • JSP 声明: 在 servlet 类中进行输出
  • JSP 表达式:在_jspService()方法内直接输出
  • JSP 注释:直接忽略,不输出
  • JSP 指令:根据不同指令进行区分,include:对引入的文件进行解析;page 相关的属性会做为 JSP 的属性,影响的是解析和请求处理时的行为
  • JSP 行为:不同的行为有不同的处理方式,jsp:useBean 为例,会从 pageContext 根据 scope 的 类别获取 bean 对象,如果没有会创建 bean,同时存到相应 scope 的 pageContext 中
  • HTML:在_jspService()方法内直接输出
  • JSP 隐式对象:在_jspService()方法会进行声明,只能在方法中使用;

Connector

Http:HTTP 是超文本传输协议,是客户端浏览器或其他程序与 Web 服务器之间的应用层通信协议。

AJP:Apache JServ 协议(AJP)是一种二进制协议,专门代理从 Web 服务器到位于后端的应用 程序服务器的入站请求。

阻塞 IO

非阻塞 IO

IO多路复用

阻塞与非阻塞的区别在于进行读操作和写操作的系统调用时,如果此时内核态没有数据可读或者没有缓冲空间可写时,是否阻塞。

IO多路复用的好处在于可同时监听多个socket的可读和可写事件,这样就能使得应用可以同时监听多个socket,释放了应用线程资源。

Tomcat各类Connector对比

Connector的实现模式有三种,分别是BIO、NIO、APR,可以在server.xml中指定。

  • JIO:用java.io编写的TCP模块,阻塞IO
  • NIO:用java.nio编写的TCP模块,非阻塞IO,(IO多路复用)
  • APR:全称Apache Portable Runtime,使用JNI的方式来进行读取文件以及进行网络传输

Apache Portable Runtime是一个高度可移植的库,它是Apache HTTP Server 2.x的核心。

APR具有许多用途,包括访问高级IO功能(如sendfile,epoll和OpenSSL),操作系统级功能(随机数生成,系统状态等)和本地进程处理(共享内存,NT管道和Unix套接字)。

表格中字段含义说明:

  • Support Polling:是否支持基于IO多路复用的socket事件轮询
  • Polling Size:轮询的最大连接数
  • Wait for next Request:在等待下一个请求时,处理线程是否释放,BIO是没有释放的,所以在keep-alive=true的情况下处理的并发连接数有限
  • Read Request Headers:由于request header数据较少,可以由容器提前解析完毕,不需要阻塞
  • Read Request Body:读取request body的数据是应用业务逻辑的事情,同时Servlet的限制,是需要阻塞读取的
  • Write Response:跟读取request body的逻辑类似,同样需要阻塞写

NIO处理相关类

Acceptor线程负责接收连接,调用accept方法阻塞接收建立的连接,并对socket进行封装成PollerEvent,指定注册的事件为op_read,并放入到EventQueue队列中,PollerEvent的run方法逻辑的是将Selector注册到socket的指定事件;

Poller线程从EventQueue获取PollerEvent,并执行PollerEvent的run方法,调用Selector的select方法,如果有可读的Socket则创建Http11NioProcessor,放入到线程池中执行;

CoyoteAdapter是Connector到Container的适配器,Http11NioProcessor调用其提供的service方法,内部创建Request和Response对象,并调用最顶层容器的Pipeline中的第一个Valve的invoke方法;

Mapper主要处理http url 到servlet的映射规则的解析,对外提供map方法。

NIO Connector主要参数

Comet

Comet是一种用于web的推送技术,能使服务器实时地将更新的信息传送到客户端,而无须客户端发出请求;

在WebSocket出来之前,如果不适用comet,只能通过浏览器端轮询Server来模拟实现服务器端推送;

Comet支持servlet异步处理IO,当连接上数据可读时触发事件,并异步写数据(阻塞)。

Tomcat要实现Comet,只需继承HttpServlet同时,实现CometProcessor接口。

  • Begin:新的请求连接接入调用,可进行与Request和Response相关的对象初始化操作,并保存response对象,用于后续写入数据
  • Read:请求连接有数据可读时调用
  • End:当数据可用时,如果读取到文件结束或者response被关闭时则被调用
  • Error:在连接上发生异常时调用,数据读取异常、连接断开、处理异常、socket超时

Note:

  • Read:在post请求有数据,但在begin事件中没有处理,则会调用read,如果read没有读取数据,在会触发Error回调,关闭socket
  • End:当socket超时,并且response被关闭时也会调用;server被关闭时调用
  • Error:除了socket超时不会关闭socket,其他都会关闭socket
  • End和Error时间触发时应关闭当前comet会话,即调用CometEvent的close方法
  • Note:在事件触发时要做好线程安全的操作

异步Servlet

传统流程:

  • 首先,Servlet 接收到请求之后,request数据解析;
  • 接着,调用业务接口的某些方法,以完成业务处理;
  • 最后,根据处理的结果提交响应,Servlet 线程结束。

异步处理流程:

  • 客户端发送一个请求
  • Servlet容器分配一个线程来处理容器中的一个servlet
  • servlet调用request.startAsync(),保存AsyncContext, 然后返回
  • 任何方式存在的容器线程都将退出,但是response仍然保持开放
  • 业务线程使用保存的AsyncContext来完成响应(线程池)

客户端收到响应

Servlet 线程将请求转交给一个异步线程来执行业务处理,线程本身返回至容器,此时 Servlet 还没有生成响应数据,异步线程处理完业务以后,可以直接生成响应数据(异步线程拥有 ServletRequest 和 ServletResponse 对象的引用)。

为什么web应用中支持异步?

推出异步,主要是针对那些比较耗时的请求:比如一次缓慢的数据库查询,一次外部REST API调用, 或者是其他一些I/O密集型操作。这种耗时的请求会很快的耗光Servlet容器的线程池,继而影响可扩展性。

Note:从客户端的角度来看,request仍然像任何其他的HTTP的request-response交互一样,只是耗费了更长的时间而已。

异步事件监听

  • onStartAsync:Request调用startAsync方法时触发
  • onComplete:syncContext调用complete方法时触发
  • onError:处理请求的过程出现异常时触发
  • onTimeout:socket超时触发

Note :

onError/ onTimeout触发后,会紧接着回调onComplete

onComplete 执行后,就不可再操作request和response

【编辑推荐】

  1. 大公司程序员带你死磕Tomcat—Tomcat如何做到一键式启停
  2. Nginx+Tomcat实现高并发场景的动静分离和负载均衡
  3. 备战双11 阿里工程师把服务器泡在“水里” 节能效果超70%
  4. Nginx+Tomcat 动静分离实现负载均衡
  5. 详解如何使用Nginx来为一台服务器部署多个Web Server
【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】


点赞 0
分享:
大家都在看
猜你喜欢

订阅专栏+更多

骨干网与数据中心建设案例

骨干网与数据中心建设案例

高级网工必会
共20章 | 捷哥CCIE

394人订阅学习

中间件安全防护攻略

中间件安全防护攻略

4类安全防护
共4章 | hack_man

141人订阅学习

CentOS 8 全新学习术

CentOS 8 全新学习术

CentOS 8 正式发布
共16章 | UbuntuServer

286人订阅学习

读 书 +更多

Java程序设计专家门诊

精选目前国内外最流行的程序设计语言——Java作为本书的选题,并以丰富的内容来解决读者学习该语言时可能遇到的各种问题。以专业的论坛为基...

订阅51CTO邮刊

点击这里查看样刊

订阅51CTO邮刊

51CTO服务号

51CTO官微