Tomcat8源码分析系列-spring boot集成tomcat

前言

本文基于 spring boot 1.5.9

spring boot 支持目前主流的 servlet 容器，包括 tomcat、jetty、undertow，可以在我们的项目中方便地集成这些 servlet 容器，减少了开发、运维的工作量。而传统的应用开发，需要经过繁锁的操作步骤：安装 tomcat –> 修改 tomcat 配置 –> 部署 war 包 –> 启动 tomcat –> 运维……，这个工作量不小，尤其是集群部署、应用迁移的时候。而采用 spring boot 之后，一切变得如此简单，打包 –> java -jar –> 运维，只需要一个 jar 包便可以随意部署安装。这篇文章，将对 spring boot 集成 tomcat 的源码进行分析，探索其内部的原理

SPI

在分析源码前，我们先来了解下 spring 的 SPI 机制。我们知道，jdk 为了方便应用程序进行扩展，提供了默认的 SPI 实现（ServiceLoader），dubbo 也有自己的 SPI。spring 也是如此，他为我们提供了 SpringFactoriesLoader，允许开发人员通过 META-INF/spring.factories 文件进行扩展，下面举一个例子方便理解

假如，我想要往 spring 容器中添加一个 ApplicationContextInitializer 做一些初始化工作，我们可以借助 spring 提供的这个 SPI 功能完成这个需求。

首先，在项目中创建 META-INF/spring.factories 文件，文件内容如下所示：

org.springframework.context.ApplicationContextInitializer=\
net.dwade.spring.boot.demo.DubboApplicationContextInitializer

我们再写个 test case，便可以通过 SPI 的方式获取我们定义的 ApplicationContextInitializer。看似很简单的一个功能，但是 spring boot 正是利用这个强大的扩展点，在 spring framework 的基础上为我们集成了常用的开源框架

@Test
public void testSpringSpi() {
    List listeners = SpringFactoriesLoader.loadFactories( ApplicationListener.class, 
            ClassUtils.getDefaultClassLoader() );
    System.out.println( listeners );
}

我们再来看看这个 SpringFactoriesLoader，关键代码如下所示，它通过读取 META-INF/spring.factories 文件，并且查找方法参数指定的 class，然后创建对应的实例对象，并且返回。此外，还支持排序，可以使用以下几种方式进行排序

• org.springframework.core.Ordered：实现该接口
• org.springframework.core.annotation.Order：注解
• javax.annotation.Priority：注解

public static  List loadFactories(Class<T> factoryClass, ClassLoader classLoader) {
    List factoryNames = loadFactoryNames(factoryClass, classLoaderToUse);
    List result = new ArrayList(factoryNames.size());
    for (String factoryName : factoryNames) {
        result.add(instantiateFactory(factoryName, factoryClass, classLoaderToUse));
    }
    AnnotationAwareOrderComparator.sort(result);
    return result;
}

接下来，我们来分析下 spring boot 是如何利用 SPI 机制集成 tomcat

Spring Boot for Tomcat

在分析 tomcat 集成的源码之前，我们先来了解下 EmbeddedServletContainer

EmbeddedServletContainer：
spring 用 EmbeddedServletContainer 封装了内嵌的 servlet 容器，提供了start、stop 等接口用于控制容器的生命周期，并且 spring 内置了 tomcat、jetty、undertow 容器的实现，类图所下所示

我们再来看看 spring boot 中最常用的 SpringBootApplication 注解，原来是多个注解的综合体，而这个 EnableAutoConfiguration 便是 spring boot 用做自动化配置的注解

@SpringBootConfiguration
@EnableAutoConfiguration
@ComponentScan(excludeFilters = {
        @Filter(type = FilterType.CUSTOM, classes = TypeExcludeFilter.class),
        @Filter(type = FilterType.CUSTOM, classes = AutoConfigurationExcludeFilter.class) })
public @interface SpringBootApplication {
    // code......
}

我们在 spring-boot-autoconfigure 模块可以看到大量的 SPI 配置，部分如下所示

# Auto Configure
org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
org.springframework.boot.autoconfigure.web.EmbeddedServletContainerAutoConfiguration,\
org.springframework.boot.autoconfigure.web.ErrorMvcAutoConfiguration

原来 EnableAutoConfiguration 注解引入了 EmbeddedServletContainerAutoConfiguration，而这个便是内嵌 servlet 容器的配置类，tomcat、jetty、undertow 都在这个类上面，通过 @ConditionalOnClass 注解加载不同的 servlet 容器。但是，这个类仅仅是注册了 TomcatEmbeddedServletContainerFactory ，不足以帮助我们解除所有的困惑。不要急，我们先来看看 TomcatEmbeddedServletContainerFactory 的类图。

由上面的类图可知，它实现了以下接口：

• EmbeddedServletContainerFactory：它是一个工厂模式，用于创建 EmbeddedServletContainer，即用于创建一个内嵌的 Servlet 容器，这个接口里面只有一个 getEmbeddedServletContainer 方法
• ConfigurableEmbeddedServletContainer：用于配置 EmbeddedServletContainer，比如说端口、上下文路径等

分析了上面两个接口，原来创建 servlet 容器的工作是由 EmbeddedServletContainerFactory 完成的，看下 getEmbeddedServletContainer 方法的调用栈。在 EmbeddedWebApplicationContext 中重写了 GenericWebApplicationContext#onRefresh() 方法，并且调用 getEmbeddedServletContainer 方法创建 servlet 容器，我们接下来分析这个创建过程。

关键代码如下（省略异常处理）：

EmbeddedWebApplicationContext.java

@Override
protected void onRefresh() {
    super.onRefresh();
    createEmbeddedServletContainer();
}

private void createEmbeddedServletContainer() {
    EmbeddedServletContainer localContainer = this.embeddedServletContainer;
    ServletContext localServletContext = getServletContext();
    if (localContainer == null && localServletContext == null) {
        // 从容器中获取bean，如果使用tomcat则返回TomcatEmbeddedServletContainerFactory
        EmbeddedServletContainerFactory containerFactory = getEmbeddedServletContainerFactory();
        this.embeddedServletContainer = containerFactory.getEmbeddedServletContainer(getSelfInitializer());
    }
    else if (localServletContext != null) {
        getSelfInitializer().onStartup(localServletContext);
    }
    initPropertySources();
}

我们先画出主要的流程图(查看原图)

由上图可知，EmbeddedWebApplicationContext 在执行 onRefresh 方法的时候，首先调用父类的 onRefresh，然后从容器中获取 EmbeddedServletContainerFactory 的实现类。由于我们在 classpath 下面可以获取 tomcat 的 jar 包，因此 EmbeddedServletContainerAutoConfiguration 会在 spring 容器中注册 TomcatEmbeddedServletContainerFactory 这个 bean。然后，由它创建 TomcatEmbeddedServletContainer，我们来看看具体的创建过程，代码如下所示：

TomcatEmbeddedServletContainerFactory.java

@Override
public EmbeddedServletContainer getEmbeddedServletContainer(
        ServletContextInitializer... initializers) {
    Tomcat tomcat = new Tomcat();   // 实例化 apache Tomcat 
    File baseDir = (this.baseDirectory != null ? this.baseDirectory
            : createTempDir("tomcat"));
    tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath());

    // 创建 Connector 组件，默认使用org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol
    Connector connector = new Connector(this.protocol); 
    tomcat.getService().addConnector(connector);

    // 支持对 Connector 进行自定义设置，比如设置线程池、最大连接数等
    customizeConnector(connector);
    tomcat.setConnector(connector);
    tomcat.getHost().setAutoDeploy(false);

    configureEngine(tomcat.getEngine());
    for (Connector additionalConnector : this.additionalTomcatConnectors) {
        tomcat.getService().addConnector(additionalConnector);
    }

    prepareContext(tomcat.getHost(), initializers);
    return getTomcatEmbeddedServletContainer(tomcat);
}

首先是实例化 Tomcat 对象，然后创建 Connector 组件，并且对 Connector 进行相关的参数设置，同时也允许我们通过 TomcatConnectorCustomizer 接口进行自定义的设置。OK，创建了 Tomcat 实例之后，需要创建 TomcatEmbeddedServletContainer，它依赖 Tomcat 对象，在构造方法中便会启动 Tomcat 容器，从而完成各个组件的启动流程

public TomcatEmbeddedServletContainer(Tomcat tomcat, boolean autoStart) {
    Assert.notNull(tomcat, "Tomcat Server must not be null");
    this.tomcat = tomcat;
    this.autoStart = autoStart;
    initialize();
}

private void initialize() throws EmbeddedServletContainerException {
    synchronized (this.monitor) {
        addInstanceIdToEngineName();
        // Remove service connectors to that protocol binding doesn't happen yet
        removeServiceConnectors();

        // Start the server to trigger initialization listeners
        this.tomcat.start();

        // We can re-throw failure exception directly in the main thread
        rethrowDeferredStartupExceptions();

        Context context = findContext();
        ContextBindings.bindClassLoader(context, getNamingToken(context),
                    getClass().getClassLoader());
        // Unlike Jetty, all Tomcat threads are daemon threads. We create a
        // blocking non-daemon to stop immediate shutdown
        startDaemonAwaitThread();
    }
}

Tomcat 实例的 start 方法如下所示，这便回到了 tomcat 的启动流程了，这里不再哆嗦了，感兴趣的童鞋可以查看我的博文

Tomcat.java

public void start() throws LifecycleException {
    getServer();
    getConnector();
    server.start();
}

• Tomcat8源码分析系列-启动分析(一) Lifecycle
• Tomcat8源码分析系列-启动分析(二) Catalina初始化
• Tomcat8源码分析系列-启动分析(三) Catalina启动
• Tomcat8源码分析系列-启动分析(四) webapp

tomcat 外部配置

前面我们分析了 spring boot 与 tomcat 的集成，我们再来看看 spring boot 是如何为 serlvet 容器设置参数的。首先，来看一下常用的配置，内嵌容器的配置以 server 开头，下面的示例采用 yml 格式，properties 文件只是格式略有不同而已

application.yml

server:
  port: 8080
  context-path: /driver
  tomcat:
    max-threads: 500
    max-connections: 20000 # 最大允许的连接数，nio默认10000
    accept-count: 100   # 达到 max-connections 之后，允许等待的连接数量

spring boot 关于内嵌 servlet 容器主要依赖 ServerProperties 完成，下面的代码列举了常用的配置，注意：代码里面的 Tomcat、Jetty 是内部类，用于进行参数配置的，并不是对应的 servlet 容器。比如我们要设置 tomcat 的参数，使用 server.tomcat 前缀即可，jetty 对应就是 server.jetty

@ConfigurationProperties(prefix = "server", ignoreUnknownFields = true)
public class ServerProperties
        implements EmbeddedServletContainerCustomizer, EnvironmentAware, Ordered {

    private Integer port;
    private String contextPath;
    private String servletPath = "/";

    private final Tomcat tomcat = new Tomcat();
    private final Jetty jetty = new Jetty();
    private final Undertow undertow = new Undertow();

    public static class Tomcat {
        private final Accesslog accesslog = new Accesslog();
        private int maxThreads = 0; // Number of threads in protocol handler
        private int maxConnections = 0;
        private int acceptCount = 0;
    }

    public static class Jetty { //...... }

    public static class Undertow {  //...... }

    //......
}

spring boot 是如何为 servlet 容器设置这些参数的呢？我们注意到 ServerProperties 实现了 EmbeddedServletContainerCustomizer 接口，通过这个接口便可以进行参数设置，下面列出了部分代码。首先，对通用参数进行设置，比如 端口、上下文路径、session 超时时间 等等，然后判断 ConfigurableEmbeddedServletContainer 的具体实现类，分别对具体的 servlet 容器进行配置，因为不同 servlet 容器的参数是不一样的，所以需要特殊处理。如果我们需要对 tomcat 容器进行额外的设置，可以实现 EmbeddedServletContainerCustomizer 接口，然后把这个 bean 注册到 spring 容器中即可

@Override
public void customize(ConfigurableEmbeddedServletContainer container) {
    if (getPort() != null) {
        container.setPort(getPort());
    }
    // other code......

    // 根据具体的实现类，分别对具体的 servlet 容器进行配置
    if (container instanceof TomcatEmbeddedServletContainerFactory) {
        // 即 private final Tomcat tomcat = new Tomcat();
        getTomcat().customizeTomcat(this,
                (TomcatEmbeddedServletContainerFactory) container);
    }
    if (container instanceof JettyEmbeddedServletContainerFactory) {
        getJetty().customizeJetty(this,
                (JettyEmbeddedServletContainerFactory) container);
    }

    if (container instanceof UndertowEmbeddedServletContainerFactory) {
        getUndertow().customizeUndertow(this,
                (UndertowEmbeddedServletContainerFactory) container);
    }
    container.addInitializers(new SessionConfiguringInitializer(this.session));
    container.addInitializers(new InitParameterConfiguringServletContextInitializer(
            getContextParameters()));
}

EmbeddedServletContainerCustomizer 又是何时被调用的呢？它是通过 BeanPostProcessor 进行扩展实现的，从 spring 容器中获取 ConfigurableEmbeddedServletContainer 对象时，便会执行该 BeanPostProcessor，这里再次感受到 BeanPostProcessor 的强大之处。

public class EmbeddedServletContainerCustomizerBeanPostProcessor
        implements BeanPostProcessor, BeanFactoryAware {

    @Override
    public Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName)
            throws BeansException {
        if (bean instanceof ConfigurableEmbeddedServletContainer) {
            postProcessBeforeInitialization((ConfigurableEmbeddedServletContainer) bean);
        }
        return bean;
    }

    private void postProcessBeforeInitialization(ConfigurableEmbeddedServletContainer bean) {
        for (EmbeddedServletContainerCustomizer customizer : getCustomizers()) {
            customizer.customize(bean);
        }
    }
}

总结

在此，spring boot 集成 tomcat 的代码分析便告一段落，最后，我们用一张图总结下整个逻辑(查看原图)

• spring boot 利用 spring 的 SPI 的机制加载 EmbeddedServletContainerAutoConfiguration 该配置类，将 TomcatEmbeddedServletContainerFactory 加载到 spring 容器中
• 对 tomcat 容器进行配置的动作，由 BeanFactoryPostProcessor 完成，spring boot 内置了多种 EmbeddedServletContainerCustomizer，由 ServerConfig 完成对 servlet 容器的配置
• 利用工厂模式创建 TomcatEmbeddedServletContainer，并且调用 org.apache.catalina.startup.Tomcat#start() 启动 tomcat 容器