Tomcat 体系架构

什么是Web服务器？

Web服务器的定义

没有标准定义。一般认为，Web服务器一般指网站服务器，是指驻留于因特网上某种类型计算机的程序，提供网上信息浏览服务。

Web服务器的特点

1. 服务器是一种被动程序：只有当Internet上运行其他计算机中的浏览器发出的请求时，服务器才会响应。
2. 服务器一般使用HTTP（超文本传输协议）与客户机浏览器进行信息交流，这就是人们常把它们称为HTTP服务器的原因。
3. Web服务器不仅能够存储信息，还能在用户通过Web浏览器提供的信息的基础上运行脚本和程序。

什么是Tomcat

Tomcat是一款开源轻量级Web应用服务器,是一款优秀的Servlet容器实现。
Servlet（Server Applet）是Java Servlet的简称，称为小服务程序或服务连接器，用Java编写的服务器端程序，具有独立于平台和协议的特性，主要功能在于交互式地浏览和生成数据，生成动态Web内容。
Servlet严格来讲是指Java语言实现的一个接口，一般情况下我们说的Servlet是指任何实现了这个Servlet接口的类。

• 实例化并调用init()方法初始化该 Servlet，一般 Servlet 只初始化一次(只有一个对象)
• service()（根据请求方法不同调用doGet() 或者 doPost()，此外还有doHead()、doPut()、doTrace()、doDelete()、doOptions()、destroy())。
• 当 Server 不再需要 Servlet 时（一般当 Server 关闭时），Server 调用 Servlet 的 destroy() 方法。

典型的Servlet的处理流程：

1. 第一个到达服务器的 HTTP 请求被委派到 Servlet 容器。
2. Servlet 容器在调用 service() 方法之前加载 Servlet。
3. 然后 Servlet 容器处理由多个线程产生的多个请求，每个线程执行一个单一的 Servlet 实例的 service() 方法。

Tomcat版本介绍

Servlet 2.X：项目目录结构必须要有WEB-INF，web.xml等文件夹和文件，在web.xml中配置servlet,filter,listener，以web.xml为java web项目的统一入口
Servlet 3.X：项目中可以不需要WEB-INF，web.xml等文件夹和文件，在没有web.xml文件的情况下，通过注解实现servlet，filter, listener的声明，当使用注解时，容器自动进行扫描。

同时Tomcat8.5进行了大量的代码重构，对比与7.0的版本，也符合Tomcat未来的代码架构体系。但是Tomcat的核心和主体架构还是一直保持这样的。

8.5版本特点

• 支持Servlet3.1
• 默认采用NIO，移除BIO
• 支持NIO2(AIO)
• 支持HTTP 2.0协议
• 默认采用异步日志处理

Tomcat启动方式

• 一般启动
  Windows下：startup.bat
  Linux下：startup.sh

• IDE中启动

• 嵌入式启动
  启动SpringBoot

• Debug启动
  在项目发布后，我们有时候需要对基于生产环境部署的应用进行调试，以解决在开发环境无法重现的BUG。这时我们就需要用到应用服务器的远程调试功能，这个主要是基于JDK提供的JPDA（Java Platform Debugger Architecture,Java平台调试体系结构）。

Tomcat项目部署

隐式部署

直接丢文件夹、war、jar到webapps目录，tomcat会根据文件夹名称自动生成虚拟路径，简单，但是需要重启Tomcat服务器，包括要修改端口和访问路径的也需要重启。

显式部署

添加context元素

config/server.xml中的Host加入一个Context（指定路径和文件地址），例如：



即"/index"这个虚拟路径映射到了"F:\work_space\xxxx"目录下(war会解压成文件)，修改完servler.xml需要重启tomcat 服务器。

创建xml文件

conf/Catalina/localhost中创建xml文件，访问路径为文件名，例如：
在localhost目录下新建demo.xml，内容为：

不需要写path，虚拟目录就是文件名demo，path默认为/demo，添加demo.xml不需要重启 tomcat服务器。

三种方式比较

• 隐式部署：可以很快部署,需要人手动移动Web应用到webapps下，在实际操作中不是很人性化
• 添加context元素 : 配置速度快,需要配置两个路径，如果path为空字符串，则为缺省配置,每次修改server.xml文件后都要重新启动Tomcat服务器，重新部署。
• 创建xml文件：:服务器后台会自动部署，修改一次后台部署一次，不用重复启动Tomcat服务器,该方式显得更为智能化。

Tomcat目录结构

bin

• startup，主要是检查 catalina 的执行所需环境，并调用 catalina，启动 tomcat。

• catalina，真正启动 tomcat，可以在里面设置JVM参数。

• shutdown，关闭 tomcat。

• version：查看当前tomcat的版本号，

• configtest：校验tomcat配置文件server.xml的格式、内容等是否合法、正确。

• service：安装tomcat服务，可用net start tomcat 启动

• 脚本version.sh、startup.sh、shutdown.sh、configtest.sh都是对catalina.sh的包装，内容大同小异，差异在于功能介绍和调用catalina.sh时的参数不同。

config

• server.xml

<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN">

<Listener className="org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener" />
<Listener className="org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener" SSLEngine="on" />
<Listener className="org.apache.catalina.core.JreMemoryLeakPreventionListener" />
<Listener className="org.apache.catalina.mbeans.GlobalResourcesLifecycleListener" />
<Listener className="org.apache.catalina.core.ThreadLocalLeakPreventionListener" />

<GlobalNamingResources>
<Resource name="UserDatabase" auth="Container"
               type="org.apache.catalina.UserDatabase"
               description="User database that can be updated and saved"
               factory="org.apache.catalina.users.MemoryUserDatabaseFactory"
               pathname="conf/tomcat-users.xml" />
GlobalNamingResources>

<Service name="Catalina">

<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
                connectionTimeout="20000"
                redirectPort="8443" />
<Connector port="8009" protocol="AJP/1.3" redirectPort="8443" />

<Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">
<Realm className="org.apache.catalina.realm.LockOutRealm">
<Realm className="org.apache.catalina.realm.UserDatabaseRealm"
                resourceName="UserDatabase"/>
Realm>

<Host name="localhost"  appBase="webapps"
             unpackWARs="true" autoDeploy="true">
     　　

Host>
Engine>
Service>
Server>

• web.xml
  Tomcat中所有应用默认的部署描述文件，主要定义了基础的Servlet和MIME(Multipurpose Internet Mail Extensions)映射(mime-mapping 文件类型，其实就是Tomcat处理的文件类型),如果部署的应用中不包含web.xml，那么Tomcat将使用此文件初始化部署描述，反之，Tomcat会在启动时将默认描述与定义描述配置进行合并。
  加载一些tomcat内置的servlet：
  
  DefaultServlet默认的,加载静态文件 html,js,jpg等静态文件。
  
  JspServlet专门处理jsp。
• context.xml
  用于自定义所有Web应用均需要加载的Context配置，如果Web应用指定了自己的context.xml，那么该文件的配置将被覆盖。
  
  context.xml 与 server.xml中配置 context 的区别
  server.xml是不可动态重加载的资源，服务器一旦启动了以后，要修改这个文件，就得重启服务器才能重新加载。而context.xml文件则不然，Tomcat服务器会定时去扫描这个文件。一旦发现文件被修改（时间戳改变了），就会自动重新加载这个文件，而不需要重启服务器。
• catalina.policy
  权限相关 Permission ，Tomcat是跑在JVM上的，所以有些默认的权限
• tomcat-users.xml
  配置Tomcat的server的manager信息
  
• logging.properties
  设置Tomcat日志。

webapps

存放web项目的目录，其中每个文件夹都是一个项目。
Tomcat自带一些项目。其中ROOT是一个特殊的项目，在地址栏中没有给出项目目录时，对应的就是ROOT项目。http://localhost:8080/examples，进入示例项目。

lib

Tomcat的类库。如果需要添加Tomcat依赖的jar文件，可以把它放到这个目录中。

• work
  运行时生成的文件，最终运行的文件都在这里。通过webapps中的项目生成的。可以把这个目录下的内容删除，再次运行时会生再次生成work目录。当客户端用户访问一个JSP文件时，Tomcat会通过JSP生成Java文件，然后再编译Java文件生成class文件，生成的java和class文件都会存放到这个目录下。
• temp
  存放Tomcat的临时文件，这个目录下的东西可以在停止Tomcat后删除。
• logs
  这个目录中都是日志文件，记录了Tomcat启动和关闭的信息，如果启动Tomcat时有错误，那么异常也会记录在日志文件中。
  localhost-xxx.log：Web应用的内部程序日志，建议保留
  catalina-xxx.log：控制台日志
  host-manager.xxx.log：Tomcat管理页面中的host-manager的操作日志，建议关闭
  localhost_access_log_xxx.log：用户请求Tomcat的访问日志（这个文件在conf/server.xml里配置），建议关闭

Tomcat组件及架构

Server

Server是最顶级的组件，它代表Tomcat的运行实例，它掌管着整个Tomcat的生死大权（与上面的server.xml对应）。

• 提供了监听器机制，用于在Tomcat整个生命周期中对不同时间进行处理
• 提供Tomcat容器全局的命名资源实现，JNDI
• 监听某个端口以接受SHUTDOWN命令，用于关闭Tomcat

Service

一个概念，一个Service维护多个Connector和一个Container

Connector

链接器：监听转换Socket请求，将请求交给Container处理，支持不同协议以及不同的I/O方式。
Connector链接器封装了底层的网络请求(Socket请求及相应处理),提供了统一的接口，使Container容器与具体的请求协议以及I/O方式解耦。
Connector将Socket输入转换成Request对象，交给Container容器进行处理。处理请求后，Container通过Connector提供的Response对象将结果写入输出流。
因为无论是Request对象还是Response对象都没有实现Servlet规范对应的接口，Container会将它们进一步分装成ServletRequest和ServletResponse。

Container

表示能够执行客户端请求并返回响应的一类对象，其中有不同级别的容器：Engine、Host、Context、Wrapper

• Engine
  整个Servler引擎，最高级的容器对象
  • Host
    表示Servlet引擎中的虚拟机，主要与域名有关，一个服务器有多个域名是可以使用多个Host
    • Context
      用于表示ServletContext,一个ServletContext表示一个独立的Web应用
      • Wrapper
        用于表示Web应用中定义的Servlet

Executor

Tomcat组件间可以共享的线程池

Tomcat处理一个HTTP请求的过程

用户点击网页内容，请求被发送到本机端口8080，被在那里监听的Coyote HTTP/1.1 Connector获得。

Connector把该请求交给它所在的Service的Engine来处理，并等待Engine的回应。

Engine获得请求localhost/test/index.jsp，匹配所有的虚拟主机Host。

Engine匹配到名为localhost的Host（即使匹配不到也把请求交给该Host处理，因为该Host被定义为该Engine的默认主机），名为localhost的Host获得请求/test/index.jsp，匹配它所拥有的所有的Context。Host匹配到路径为/test的Context（如果匹配不到就把该请求交给路径名为“ ”的Context去处理）。
path=“/test”的Context获得请求/index.jsp，在它的mapping table中寻找出对应的Servlet。Context匹配到URL PATTERN为*.jsp的Servlet,对应于JspServlet类。

构造HttpServletRequest对象和HttpServletResponse对象，作为参数调用JspServlet的doGet()或doPost().执行业务逻辑、数据存储等程序。

Context把执行完之后的HttpServletResponse对象返回给Host。

Host把HttpServletResponse对象返回给Engine。

Engine把HttpServletResponse对象返回Connector。

Connector把HttpServletResponse对象返回给客户Browser。

Connector配置详解

以下是server.xml中的一段：

<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
                connectionTimeout="20000"
                redirectPort="8443" />
<Connector port="8009" protocol="AJP/1.3" redirectPort="8443" />

什么是AJP？

Tomcat最主要的功能是提供Servlet/JSP容器。但在对静态资源(如HTML文件或图像文件)的处理速度，以及提供的Web服务器管理功能方面都不如其他专业的HTTP服务器，如IIS和Apache服务器。
因此在实际应用中，常常把Tomcat与其他HTTP服务器集成。对于不支持Servlet/JSP的HTTP服务器，可以通过Tomcat服务器来运行Servlet/JSP组件。
AJP链接器可以让Tomcat通过AJP协议和另一个web容器进行交互。

HTTP/1.1下配置IO
对于I/0选择，要根据业务场景来定。一般高并发场景下，APR和AIO的性能要优于NIO，（linux操作系统并没有真正实现AIO，所以一般linux上推荐使用NIO。如果是APR的话，需要安装APR库，而Windows上默认安装了）。

APR（Apache Portable Runtime）：

• NIO（默认）：

<Connector port="8080" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"
                connectionTimeout="20000"
                redirectPort="8443" />

• AIO（Windows推荐）：

<Connector port="8080" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol"
                connectionTimeout="20000"
                redirectPort="8443" />

使用线程池：
server.xml 已经写好了如何配置，只需要取消注释就好了。

<Connector executor="tomcatThreadPool"
               port="8080" protocol="HTTP/1.1"
               connectionTimeout="20000"
               redirectPort="8443" /> 
    
     <Connector port="8443" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol"
               maxThreads="150" >      
    Connector> 
    

• APR：
  server.xml 已经写好了如何配置，只需要取消注释就好了。

<Connector executor="tomcatThreadPool"
               port="8080" protocol="HTTP/1.1"
               connectionTimeout="20000"
               redirectPort="8443" /> 
<Connector port="8443" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol"
               maxThreads="150" SSLEnabled="true" >
        <UpgradeProtocol className="org.apache.coyote.http2.Http2Protocol" />
        <SSLHostConfig>
            <Certificate certificateKeyFile="conf/localhost-rsa-key.pem"
                         certificateFile="conf/localhost-rsa-cert.pem"
                         certificateChainFile="conf/localhost-rsa-chain.pem"
                         type="RSA" />
        SSLHostConfig>
    Connector>
    

Linux如果安装了apr和native，Tomcat直接启动就支持APR。（安装方法：http://my.oschina.net/lsw90/blog/181161）

连接数问题

NIO：
最大连接数：10000
线程池：200
队列长度：100

1个线程 Acceptor 负责接收连接 Channel 到 accept 队列。2个线程 Poller 负责轮询。轮询到就绪的读/写创建 SocketProcessor 交给线程池 Executor 去执行。在 Executor 的线程中，会完成从 socket 中读取 HttpRequest 解析成 HttpServletRequest 对象，分派到相应的 servlet 并完成逻辑，然后将 Response 通过 socket 发回 client。在从 socket 中读数据和往 socket中写数据的过程，并没有像典型的非阻塞的 NIO 的那样，注册 OP_READ 或 OP_WRITE 事件到主 Selector，而是直接通过 socket 完成读写，这时是阻塞完成的。