Tomcat深入学习与理解（一）Tomcat系统架构与原理分析

Tomcat深入学习与理解（一）Tomcat系统架构与原理分析

说明：本次讲述涉及使用Tomcat版本为8.5.50

1. 简介

Tomcat服务器是一个免费的开放源码的Web应用服务器，目前是应用比较广泛的。

从Tomcat的7.0版本开始支持Servlet3.0规范规范，可以支持我们开发过程中不再配置web.xml。

2. 浏览器访问服务器的流程

浏览器访问服务器使用的是http协议，http是应用层协议，用于定义数据通信的格式，具体的数据传输使用的是TCP/IP协议。

1. 用户向浏览器发起http请求。
2. 浏览器接收到用户请求，向服务器发起TCP连接请求。
3. 服务器接收到浏览器请求，并建立TCP连接。
4. 浏览器生成HTTP数据包，向服务器发送数据包。
5. 服务器收到浏览器发送过来的数据包必能解析，执行请求对应的具体逻辑，将返回数据组装成http格式包并返回。
6. 浏览器接收到服务器返回的http的数据包，解析http数据包，通过浏览器将相应静态资源呈现给用户。

3. Tomcat主体架构

3.1 Tomcat请求处理大致流程

Tomcat是一个http服务器，它能够接收并处理http请求。用户在发起http请求之后，http服务器接收到用户请求然后它会调用具体的程序（Java对象）进行处理，往往不同的请求由不同的Java对象处理。

Tomcat两个身份:

• HTTP服务器
• Servlet容器

Tomcat接收到http请求之后并不会让http服务器直接调用具体的java类去执行处理逻辑（这样会高度耦合），而是http服务器会把请求进行一些特殊处理后交给Servlet容器处理，Servlet容器会根据请求的不同将它们交给对应的业务类处理（这些业务类实现了Servlet接口，相当于是一个Servlet，由Servlet容器管理）。

3.2 Tomcat Servlet容器处理流程

当用户请求某个URL资源时

1. http服务器会把请求信息使用ServletRequest对象封装起来
2. Servelt容器拿到请求后，根据URL和Servlet的映射关系，找到容器中对应的Sevlet
3. 如果Servlet容器还没有被加载，就用反射机制创建这个Servlet，并调用Servlet的init方法来完成初始化。
4. 接着调用这个具体Servlet的service方法来处理请求，请求处理结果使用ServletResponse对象封装。
5. 将封装好的ServletResponse对象返回给http服务器，http服务器把响应发送给客户端。

3.3 系统总体架构

Tomcat完成了两个非常重要的功能

1. 和客户端浏览器进行交互，进行socket通信，将字节流和Request/Response等对象进行转换
2. Servlet容器处理业务逻辑

Tomcat设计了两个核心组件连接器（Connector）和容器（Container）来完成Tomcat的两大核心功能。

1. 连接器

   连接器，负责对外交流。处理Socket连接，负责网络字节流与Request和Response对象的转化。

2. 容器

   容器，负责内部处理。加载和管理Servlet，以及具体处理Request请求。

4. Tomcat连接器组件Coyote

4.1 Coyote简介

Coyote是Tomcat中连接器的组件名称，是对外的接口。客户端通过Coyote与服务器建立连接、发送请求并接受响应。

1. Coyote封装了底层的网络通信（Socket请求及响应处理）
2. Coyote使Catalina容器（容器组件）与具体的请求协议及IO操作方式完全解耦
3. Coyote将Socket输入转换封装为Request对象，进一步封装后交由Catalina容器进行处理，处理请求完成后，Catalina通过Coyote提供的Request对象将结果写入输出流
4. Coyote负责的是具体协议（应用层协议 ）和IO（传输层）相关内容

4.2 支持的应用层协议及IO模型

Tomcat默认应用层协议是HTTP1.1。

在Tomcat8.0版本之前，默认采用的I/O模型是BIO，之后改为了NIO。无论NIO、NIO2还是APR，在性能方面均优于以往的BIO。如果采用APR，甚至可以达到Apache HTTP Server的性能级别。

4.2.1 应用层协议

应用层协议	描述	备注
HTTP/1.1	这是大部分Web应用采用的访问协议	默认协议
AJP	用于和WX集成（如Apache）,以实现对静态资源的优化以及集群部署
HTTP/2.0	HTTP2.0大幅度的提升了Web性能。下一代HTTP协议，自8.5以及9.0版本之后支持。

4.2.2 IO模型

IO模型	描述	备注
NIO	非阻塞I/O，采用Java NIO类库实现。	默认NIO
NIO2	异步I/O，采用JDK7最新的NIO2类库实现
APR	采用Apache可移植运行库实现，是C/C++编写的本地库。如果选择该方案，需要单独安装APR库	很少用
BIO	同步阻塞式IO，Tomcat8.0之前默认BIO，后面默认NIO，不再支持BIO	已经停用

4.3 Coyote内部组件及流程

组件	作用描述
EndPoint	EndPoint是Coyote通信端点，即通信监听的端口，是具体Socket接收和发送处理器，是对传输层的抽象，因此EndPoint用来实现TCP/IP协议的
Processor	Processor是Coyote协议处理接口，如果说EndPoint是用来实现TCP/IP协议的，那么Processor用来实现HTTP协议，Processor接收来自 EndPoint的Socket，读取字节流解析成Tomcat Request和Response对象，并通过Adapter讲其提交到容器处理，Processor是对应用层协议的抽象
ProtocolHandler	Coyote协议接口，通过Endpoint和Processor，实现针对具体协议的处理能力。Tomcat按照协议和I/O模型提供了对应的6个实现类：AjpNioProtocol，AjpAprProtocol，AjpNio2Protocol，Http11NioProtocol，Http11Nio2Protocol，Http11AprProtocol
Adapter	由于协议不同，客户端发过来的请求信息页不尽相同，Tomcat定义了自己的Request类。但是这个Reqeust对象不是标准的ServletRequest，不能用Tomcat Request作为参数来调用Container容器。Tomcat设计者的解决方案是引入CoyoteAdapter，这是适配器模式的经典运用，连接器调用CoyoteAdapter的Service方法，传入的是Tomcat Request对象，CoyoteAdapter负责将Tomcat Request转成ServletRequest，然后再调用容器。

5. Tomcat Servlet容器Catalina

Tomcat是一个由一系列可配置（conf/server.xml）的组件构成的Web容器，而Catalina是Tomcat的Servlet容器。

从另一个角度来说，Tomcat本质上就是一款Servlet容器，因为Catalina才是Tomcat的核心，其他模块都是为Catalina提供支撑的。比如：通过Coyote模块提供连接通信，Jasper模块提供JSP引擎，Naming提供JNDI服务，Juli提供日志服务。

5.1 Servlet容器Catalina的结构

我们可以认为整个Tomcat就是一个Catalina实例，Tomcat启动的时候会初始化这个实例，Catalina实例通过加载server.xml完成其他实例的创建，创建并管理一个Server，Server创建并管理多个服务，每个服务又可以有多个Connector和一个Container。

• 一个Catalina实例（容器）
  • 一个Sever实例（容器）
    • 多个Service实例（容器）
      • 每一个Service实例下可以有多个Connector实例和一个Container实例

实例	描述
Catalina	负责解析Tomcat的配置文件（server.xml），以此来创建服务器Server组件并进行管理
Server	服务器表示整个Catalina Servler容器以及其他组件，负责组装并启动Servlet引擎，Tomcat连接器。Server通过实现Lifecycle接口，提供了一种优雅的启动和关闭整个系统的方式。
Service	服务是Server内部的组件，一个Server包含多个Service。它将若干个Connector组件绑定到一个Container
Container	容器，负责处理用户的Servlet请求，并返回对象给Web用户的

5.2 Container组件的具体结构

Container组件下有几种具体的组件，分别是Engine、Host、Context、Wrapper。这四种组件（容器）是父子关系。Tomcat通过一种分层的结构，使得Servlet容器具有很好的灵活性。

组件/容器	描述
Engine	表示整个Catalina的Servlet引擎，用来管理多个虚拟站点，一个Service最多只能由一个Engine，但是一个引擎可以包含多个Host
Host	代表一个虚拟主机，或者说一个站点，可以给Tomcat配置多个虚拟主机地址，而一个虚拟主机下可以包含多个Context
Context	表示一个web应用程序，一个Web应用可以包含多个Wrapper
Wrapper	表示一个Servlet，Wrapper作为容器中的最底层，不能包含子容器