Tomcat 架构

2 图 2 HTTP 服务器不直接调用业务类而是把请求交给容器来处理容器通过Servlet接口调用业务类。因此 Servlet 接口和 Servlet 容器的出现达到了 HTTP 服务器与业务类解耦的目的。而Servlet 接口和 Servlet 容器这一整套规范叫作 Servlet 规范。 Tomcat按照 Servlet 规范的要求实现了 Servlet 容器同时它们也具有 HTTP 服务器的功能。作为Java 程序员如果我们要实现新的业务功能只需要实现一个 Servlet 并把它注册到Tomcat Servlet容器中剩下的事情就由 Tomcat 帮我们处理了。

2.Servlet容器工作流程

为了解耦 HTTP 服务器不直接调用 Servlet 而是把请求交给 Servlet 容器来处理那

Servlet 容器又是怎么工作的呢

当客户请求某个资源时 HTTP 服务器会用一个 ServletRequest 对象把客户的请求信息封

装起来然后调用 Servlet 容器的 service 方法 Servlet 容器拿到请求后根据请求的 URL 和Servlet 的映射关系找到相应的 Servlet 如果 Servlet 还没有被加载就用反射机制创建这个Servlet 并调用 Servlet 的 init 方法来完成初始化接着调用 Servlet 的 service 方法来处理请求把ServletResponse 对象返回给 HTTP 服务器 HTTP 服务器会把响应发送给客户端。

3. Tomcat整体架构

我们知道如果要设计一个系统首先是要了解需求我们已经了解了 Tomcat 要实现两个

核心功能

1 处理 Socket 连接负责网络字节流与 Request 和 Response 对象的转化。

2 加载和管理 Servlet 以及具体处理 Request 请求。

因此 Tomcat 设计了两个核心组件连接器 Connector 和容器 Container 来分别做这两件事情。连接器负责对外交流容器负责内部处理。

三连接器 - Coyote

1 .架构介绍

Coyote 是 Tomcat 的连接器框架的名称 , 是 Tomcat 服务器提供的供客户端访问的外部接

口。客户端通过 Coyote 与服务器建立连接、发送请求并接受响应。

Coyote 封装了底层的网络通信Socket 请求及响应处理为 Catalina 容器提供了统一的接口使Catalina 容器与具体的请求协议及 IO 操作方式完全解耦。 Coyote 将 Socket 输

入转换封装为 Request 对象交由 Catalina 容器进行处理处理请求完成后 , Catalina 通

过 Coyote 提供的 Response 对象将结果写入输出流。

Coyote 作为独立的模块只负责具体协议和 IO 的相关操作与 Servlet 规范实现没有直接关系因此即便是 Request 和 Response 对象也并未实现 Servlet 规范对应的接口而

是在 Catalina 中将他们进一步封装为 ServletRequest 和 ServletResponse 。

2.IO模型与协议

在 Coyote 中 Tomcat 支持的多种 I/O 模型和应用层协议具体包含哪些 IO 模型和应用层

协议请看下表

Tomcat 支持的 IO 模型自 8.5/9.0 版本起 Tomcat 移除了对 BIO 的支持

IO 模型	描述
NIO	非阻塞 I/O 采用 Java NIO 类库实现。
NIO2	异步 I/O 采用 JDK 7 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。

Tomcat 支持的应用层协议

应用层协议	描述
HTTP/1.1	这是大部分 Web 应用采用的访问协议。
AJP	用于和 Web 服务器集成如 Apache 以实现对静态资源的优化以及集群部署当前支持AJP/1.3 。
HTTP/2	HTTP 2.0 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。

协议分层

在 8.0 之前 Tomcat 默认采用的 I/O 方式为 BIO 之后改为 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 的影响性能。

Tomcat 为了实现支持多种 I/O 模型和应用层协议一个容器可能对接多个连接器就好比

一个房间有多个门。但是单独的连接器或者容器都不能对外提供服务需要把它们组装起来才能工作组装后这个整体叫作Service 组件。这里请你注意 Service 本身没有做什么重要的事情只是在连接器和容器外面多包了一层把它们组装在一起。Tomcat 内可能有多个Service 这样的设计也是出于灵活性的考虑。通过在 Tomcat 中配置多个Service可以实现通过不同的端口号来访问同一台机器上部署的不同应用。

3. 连接器组件

连接器中的各个组件的作用如下

EndPoint

1 EndPoint Coyote 通信端点即通信监听的接口是具体 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。

2 Tomcat 并没有 EndPoint 接口而是提供了一个抽象类 AbstractEndpoint 里面定

义了两个内部类 Acceptor 和 SocketProcessor 。 Acceptor 用于监听 Socket 连接请求。

SocketProcessor 用于处理接收到的 Socket 请求它实现 Runnable 接口在 Run 方法里

调用协议处理组件 Processor 进行处理。为了提高处理能力 SocketProcessor 被提交到

线程池来执行。而这个线程池叫作执行器 Executor) 我在后面的专栏会详细介绍

Tomcat 如何扩展原生的 Java 线程池。

Processor

Processor 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 将其提交到容器处理

Processor 是对应用层协议的抽象。

ProtocolHandler

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 提供了 6 个实现类 AjpNioProtocol , AjpAprProtocol AjpNio2Protocol Http11NioProtocol Http11Nio2Protocol Http11AprProtocol。我们在配置 tomcat/conf/server.xml 时至少要指定具体的 ProtocolHandler , 当然也可以指定协议名称如 HTTP/1.1 如果安装了 APR 那么将使用Http11AprProtocol 否则使用 Http11NioProtocol 。

Adapter

由于协议不同客户端发过来的请求信息也不尽相同 Tomcat 定义了自己的 Request 类

来 “ 存放 ” 这些请求信息。 ProtocolHandler 接口负责解析请求并生成 Tomcat Request 类。

但是这个 Request 对象不是标准的 ServletRequest 也就意味着不能用 Tomcat ,Request作为参数来调用容器。 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 Sevice 方法传入的是 Tomcat,Request对象 CoyoteAdapter 负责将 Tomcat Request 转成 ServletRequest 再调用容器的Service 方法。

四 .容器 - Catalina

Tomcat 是一个由一系列可配置的组件构成的 Web 容器而 Catalina 是 Tomcat 的 servlet 容

器。

Catalina 是 Servlet 容器实现包含了之前讲到的所有的容器组件以及后续章节涉及到

的安全、会话、集群、管理等 Servlet 容器架构的各个方面。它通过松耦合的方式集成 Coyote以完成按照请求协议进行数据读写。同时它还包括我们的启动入口、 Shell 程序等。

1.Catalina 地位

Tomcat 的模块分层结构图如下

Tomcat 本质上就是一款 Servlet 容器因此 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 模块提供链接通信 Jasper 模块提供JSP引擎 Naming 提供 JNDI 服务 Juli 提供日志服务。

2 .Catalina 结构

Catalina 的主要组件结构如下

如上图所示 Catalina 负责管理 Server 而 Server 表示着整个服务器。 Server 下面有多个服务Service 每个服务都包含着多个连接器组件 Connector Coyote 实现和一个容器组Container 。在 Tomcat 启动的时候会初始化一个 Catalina 的实例。

Catalina 各个组件的职责

组件	职责
Catalina	负责解析 Tomcat 的配置文件 , 以此来创建服务器 Server 组件并根据命令来对其进行管理
Server	服务器表示整个 Catalina Servlet 容器以及其它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 Engine 上
Connector	连接器处理与客户端的通信它负责接收客户请求然后转给相关的容器处理最后向客户返回响应结果
Container	容器负责处理用户的 servlet 请求并返回对象给 web 用户的模块

3.Container 结构

Tomcat 设计了 4 种容器分别是 Engine 、 Host 、 Context 和 Wrapper 。这 4 种容器不是平

行关系而是父子关系. Tomcat 通过一种分层的架构使得 Servlet 容器具有很好的灵

活性。

各个组件的含义

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最多只能有一个Engine 但是一个引擎可包含多个 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包含多个Context
Context	表示一个 Web 应用程序一个 Web 应用可包含多个 Wrapper
Wrappe	表示一个 Servlet Wrapper 作为容器中的最底层不能包含子容器

我们也可以再通过 Tomcat 的 server.xml 配置文件来加深对 Tomcat 容器的理解。 Tomcat

采用了组件化的设计它的构成组件都是可配置的其中最外层的是 Server 其他组件

按照一定的格式要求配置在这个顶层容器中。

那么Tomcat是怎么管理这些容器的呢你会发现这些容器具有父子关系形成一个树形结构你可能马上就想到了设计模式中的组合模式。没错Tomcat就是用组合模式来管理这些容器的。具体实现方法是所有容器组件都实现了Container接口因此组合模式可以使得用户对单容器对象和组合容器对象的使用具有一致性。这里单容器对象指的是最底层的Wrapper组合容器对象指的是上面的Context、Host或者Engine。