聊聊Tomcat的架构设计

摘要：本篇文章主要是跟大家聊聊的内部架构体系，让大家对有个整体的认知。方法会创建一个对象，调用它的方法将字节流封装成对象，在创建组件时，会将组件添加到组件中组件而组件在连接器初始化时就已经创建好了目前为止，只有一个实现类，就是。

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Tomcat 是 Java WEB 开发接触最多的 Servlet 容器，但它不仅仅是一个 Servlet 容器，它还是一个 WEB 应用服务器，在微服务架构体系下，为了降低部署成本，减少资源的开销，追求的是轻量化与稳定，而 Tomcat 是一个轻量级应用服务器，自然被很多开发人员所接受。

Tomcat 里面藏着很多值得我们每个 Java WEB 开发者学习的知识，可以这么说，当你弄懂了 Tomcat 的设计原理，Java WEB 开发对你来说已经没有什么秘密可言了。本篇文章主要是跟大家聊聊 Tomcat 的内部架构体系，让大家对 Tomcat 有个整体的认知。

前面我也说了，Tomcat 的本质其实就是一个 WEB 服务器 + 一个 Servlet 容器，那么它必然需要处理网络的连接与 Servlet 的管理，因此，Tomcat 设计了两个核心组件来实现这两个功能，分别是连接器和容器，连接器用来处理外部网络连接，容器用来处理内部 Servlet，我用一张图来表示它们的关系：

一个 Tomcat 代表一个 Server 服务器，一个 Server 服务器可以包含多个 Service 服务，Tomcat 默认的 Service 服务是 Catalina，而一个 Service 服务可以包含多个连接器，因为 Tomcat 支持多种网络协议，包括 HTTP/1.1、HTTP/2、AJP 等等，一个 Service 服务还会包括一个容器，容器外部会有一层 Engine 引擎所包裹，负责与处理连接器的请求与响应，连接器与容器之间通过 ServletRequest 和 ServletResponse 对象进行交流。

也可以从 server.xml 的配置结构可以看出 tomcat 整体的内部结构：

连接器负责将各种网络协议封装起来，对外部屏蔽了网络连接与 IO 处理的细节，将处理得到的 Request 对象传递给容器处理，Tomcat 将处理请求的细节封装到 ProtocolHandler，ProtocolHandler 是一个接口类型，通过实现 ProtocolHandler 来实现各种协议的处理，如 Http11AprProtocol：

ProtocolHandler 采用组件模式的设计，将处理网络连接，字节流封装成 Request 对象，再将 Request 适配成 Servlet 处理 ServletRequest 对象这几个动作，用组件封装起来了，ProtocolHandler 包括了三个组件：Endpoint、Processor、Adapter。

Endpoint 在 ProtocolHandler 实现类的构造方法中创建，如下：

public Http11AprProtocol() {
  super(new AprEndpoint());
}

Endpoint 组件用来处理底层的 Socket 网络连接，AprEndpoint 里面有个叫 SocketProcessor 的内部类，它负责为 AprEndpoint 将接收到的 Socket 请求转化成 Request 对象，SocketProcessor 实现了 Runnable 接口，它会有一个专门的线程池来处理，后面我会多带带从源码的角度分析 Endpoint 组件的设计原理。

org.apache.tomcat.util.net.AprEndpoint.SocketProcessor#doRun：

// Process the request from this socket
SocketState state = getHandler().process(socketWrapper, event);

process 方法会创建一个 processor 对象，调用它的 process 方法将 Socket 字节流封装成 Request 对象，在创建 Processor 组件时，会将 Adapter 组件添加到 Processor 组件中：

org.apache.coyote.http11.AbstractHttp11Protocol#createProcessor：

protected Processor createProcessor() {
  Http11Processor processor = new Http11Processor();
  // set Adapter 组件
  processor.setAdapter(getAdapter());

  return processor;
}

而 Adapter 组件在连接器初始化时就已经创建好了：

org.apache.catalina.connector.Connector#initInternal：

// Initialize adapter
adapter = new CoyoteAdapter(this);
protocolHandler.setAdapter(adapter);

目前为止，Tomcat 只有一个 Adapter 实现类，就是 CoyoteAdapter。Adapter 的主要作用是将 Request 对象适配成容器能够识别的 Request 对象，比如 Servlet 容器，它的只能识别 ServletRequest 对象，这时候就需要 Adapter 适配器类作一层适配。

以上连接器的各个组件，我用一张图说明它们直接的关系：

在 Tomcat 中一共设计了 4 种容器，它们分别为 Engine、Host、Context、Wrapper，它们的关系如下图所示：

Engine：表示一个虚拟主机的引擎，一个 Tomcat Server 只有一个 引擎，连接器所有的请求都交给引擎处理，而引擎则会交给相应的虚拟主机去处理请求；

Host：表示虚拟主机，一个容器可以有多个虚拟主机，每个主机都有对应的域名，在 Tomcat 中，一个 webapps 就代表一个虚拟主机，当然 webapps 可以配置多个；

Context：表示一个应用容器，一个虚拟主机可以拥有多个应用，webapps 中每个目录都代表一个 Context，每个应用可以配置多个 Servlet。

从上图可看出，各个容器组件之间的关系是由大到小，即父子关系，它们之间关系形成一个树状的结构，它们的实现类都实现了 Container 接口，它有如下方法来控制容器组件之间的关系：

public interface Container extends Lifecycle {
  Container getParent();
  void setParent(Container container);
  void addChild(Container child);
  Container findChild(String name);
  Container[] findChildren();
  void removeChild(Container child);
}

容器组件之间通过以上几个方法，即可实现它们之间的父子关系，有没有发现，Container 接口还继承了 Lifecycle 接口，它有如下方法：

public interface Lifecycle {   
  public static final String INIT_EVENT = "init";  
  public static final String START_EVENT = "start";   
  public static final String BEFORE_START_EVENT = "before_start";   
  public static final String AFTER_START_EVENT = "after_start";   
  public static final String STOP_EVENT = "stop";   
  public static final String BEFORE_STOP_EVENT = "before_stop";   
  public static final String AFTER_STOP_EVENT = "after_stop";   
  public static final String DESTROY_EVENT = "destroy";  

  public void addLifecycleListener(LifecycleListener listener);   
  public LifecycleListener[] findLifecycleListeners();   
  public void removeLifecycleListener(LifecycleListener listener);   
  public void start() throws LifecycleException;   
  public void stop() throws LifecycleException;   
}  

Tomcat 中有很多组件，组件通过实现 Lifecycle 接口，Tomcat 通过事件机制来实现对这些组件生命周期的管理。

Tomcat 的这种容器设计思想，其实是运用了组合设计模式的思想，组合设计模式最大的优点是可以自由添加节点，这样也就使得 Tomcat 的容器组件非常地容易进行扩展，符合设计模式中的开闭原则。

现在我们知道了 Tomcat 的容器组件的组合方式，那我们现在就来想一个问题：

当一个请求过来时，Tomcat 是如何识别请求并将它交给特定 Servlet 来处理呢？

从容器的组合关系可以看出，它们调用顺序必定是：

Engine -> Host -> Context -> Wrapper -> Servlet

那么 Tomcat 是如何来定位 Servlet 的呢？答案是利用 Mapper 组件来完成定位的工作。

Mapper 最主要的核心功能是保存容器组件之间访问路径的映射关系，它是如何做到这点的呢？

我们不妨先从源码入手：

org.apache.catalina.core.StandardService：

protected final Mapper mapper = new Mapper();
protected final MapperListener mapperListener = new MapperListener(this);

Service 实现类中，已经初始化了 Mapper 组件以及它的监听类 MapperListener，这里先说明一下，在 Tomcat 组件中，标准的实现组件类前缀会有 Standard，比如：

org.apache.catalina.core.StandardServer
org.apache.catalina.core.StandardService
org.apache.catalina.core.StandardEngine
org.apache.catalina.core.StandardHost
org.apache.catalina.core.StandardContext
org.apache.catalina.core.StandardWrapperz

在 Service 服务启动的时候，会调用 MapperListener.start() 方法，最终会执行 MapperListener 的 startInternal 方法：

org.apache.catalina.mapper.MapperListener#startInternal：

Container[] conHosts = engine.findChildren();
for (Container conHost : conHosts) {
  Host host = (Host) conHost;
  if (!LifecycleState.NEW.equals(host.getState())) {
    // Registering the host will register the context and wrappers
    registerHost(host);
  }
}

该方法会注册新的虚拟主机，接着 registerHost() 方法会注册 context，以此类推，从而将容器组件直接的访问的路径都注册到 Mapper 中。

定位 Servlet 的流程图：