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【Tomcat】Tomcat工作原理及简单模拟实现

Tomcat应该都不陌生,我们经常会把写好的代码打包放在Tomcat里并启动,然后在浏览器里就能愉快的调用我们写的代码来实现相应的功能了,那么Tomcat是如何工作的?

一、Tomcat工作原理

我们启动Tomcat时双击的startup.bat文件的主要作用是找到catalina.bat,并且把参数传递给它,而catalina.bat中有这样一段话:

image.png
Bootstrap.class是整个Tomcat 的入口,我们在Tomcat源码里找到这个类,其中就有我们经常使用的main方法:
image.png
这个类有两个作用 :1.初始化一个守护进程变量、加载类和相应参数。2.解析命令,并执行。

源码不过多赘述,我们在这里只需要把握整体架构,有兴趣的同学可以自己研究下源码。Tomcat的server.xml配置文件中可以对应构架图中位置,多层的表示可以配置多个:

image.png
即一个由 Server->Service->Engine->Host->Context 组成的结构,从里层向外层分别是:

Server:服务器Tomcat的顶级元素,它包含了所有东西。

Service:一组 Engine(引擎) 的集合,包括线程池 Executor 和连接器 Connector 的定义。

Engine(引擎):一个 Engine代表一个完整的 Servlet引擎,它接收来自Connector的请求,并决定传给哪个Host来处理。

Container(容器):Host、Context、Engine和Wraper都继承自Container接口,它们都是容器。

Connector(连接器):将Service和Container连接起来,注册到一个Service,把来自客户端的请求转发到Container。

Host:即虚拟主机,所谓的”一个虚拟主机”可简单理解为”一个网站”。

Context(上下文 ): 即 Web 应用程序,一个 Context 即对于一个 Web 应用程序。

Context容器直接管理Servlet的运行,Servlet会被其给包装成一个StandardWrapper类去运行。Wrapper负责管理一个Servlet的装载、初始化、执行以及资源回收,它是最底层容器。

比如现在有以下网址,根据“/”切割的链接就会定位到具体的处理逻辑上,且每个容器都有过滤功能。

image.png

二、Tomcat实现思路

下面只是简单实现效果,当浏览器访问对应地址时:

image.png
实现以上效果整体思路如下: 1.ServerSocket占用8080端口,用while(true)循环等待用户发请求。

2.拿到浏览器的请求,解析并返回URL地址,用I/O输入流读取本地磁盘上相应文件。

3.读取文件,不存在构建响应报文头、HTML正文内容,存在则写到浏览器端。

三、实现Tomcat

工程文件结构和pom.xml文件:

image.png
1.HttpServer核心处理类,用于接受用户请求,传递HTTP请求头信息,关闭容器:

public class HttpServer {
  // 用于判断是否需要关闭容器
  private boolean shutdown = false;
  
  public void acceptWait() {
    ServerSocket serverSocket = null;
    try {
        //端口号,最大链接数,ip地址
      serverSocket = new ServerSocket(8080, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
    }
    catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
        System.exit(1); 
    }
    // 等待用户发请求
    while (!shutdown) {
      try {
        Socket socket = serverSocket.accept();
        InputStream is = socket.getInputStream();
        OutputStream  os = socket.getOutputStream();
        // 接受请求参数
        Request request = new Request(is);
        request.parse();
        // 创建用于返回浏览器的对象
        Response response = new Response(os);
        response.setRequest(request);
        response.sendStaticResource();
        //关闭一次请求的socket,因为http请求就是采用短连接的方式
        socket.close();
        //如果请求地址是/shutdown  则关闭容器
        if(null != request){
             shutdown = request.getUrL().equals("/shutdown");
        }
      }
      catch (Exception e) {
          e.printStackTrace();
          continue;
      }
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
        HttpServer server = new HttpServer();
        server.acceptWait();
  }
}
复制代码

2.创建Request类,获取HTTP的请求头所有信息并截取URL地址返回:

public class Request {
  private InputStream is;
  private String url;

  public Request(InputStream input) {
    this.is = input;
  }
  public void parse() {
    //从socket中读取一个2048长度字符
    StringBuffer request = new StringBuffer(Response.BUFFER_SIZE);
    int i;
    byte[] buffer = new byte[Response.BUFFER_SIZE];
    try {
      i = is.read(buffer);
    }
    catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
      i = -1;
    }
    for (int j=0; j<i; j++) {
      request.append((char) buffer[j]);
    }
    //打印读取的socket中的内容
    System.out.print(request.toString());
    url = parseUrL(request.toString());
  }

  private String parseUrL(String requestString) {
    int index1, index2;
    index1 = requestString.indexOf(' ');//看socket获取请求头是否有值
    if (index1 != -1) {
      index2 = requestString.indexOf(' ', index1 + 1);
      if (index2 > index1)
        return requestString.substring(index1 + 1, index2);
    }
    return null;
  }

  public String getUrL() {
    return url;
  }

}
复制代码

3.创建Response类,响应请求读取文件并写回到浏览器

public class Response {
  public static final int BUFFER_SIZE = 2048;
  //浏览器访问D盘的文件
  private static final String WEB_ROOT ="D:";
  private Request request;
  private OutputStream output;

  public Response(OutputStream output) {
    this.output = output;
  }
  public void setRequest(Request request) {
    this.request = request;
  }

  public void sendStaticResource() throws IOException {
    byte[] bytes = new byte[BUFFER_SIZE];
    FileInputStream fis = null;
    try {
        //拼接本地目录和浏览器端口号后面的目录
      File file = new File(WEB_ROOT, request.getUrL());
      //如果文件存在,且不是个目录
      if (file.exists() && !file.isDirectory()) {
        fis = new FileInputStream(file);
        int ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
        while (ch!=-1) {
          output.write(bytes, 0, ch);
          ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
        }
      }else {
           //文件不存在,返回给浏览器响应提示,这里可以拼接HTML任何元素
          String retMessage = "<h1>"+file.getName()+" file or directory not exists</h1>";
          String returnMessage ="HTTP/1.1 404 File Not Found\r\n" +
                  "Content-Type: text/html\r\n" +
                  "Content-Length: "+retMessage.length()+"\r\n" +
                  "\r\n" +
                  retMessage;
        output.write(returnMessage.getBytes());
      }
    }
    catch (Exception e) {
      System.out.println(e.toString() );
    }
    finally {
      if (fis!=null)
        fis.close();
    }
  }
}
复制代码

四、扩展点

1.在WEB_INF文件夹下读取web.xml解析,通过请求名找到对应的类名,通过类名创建对象,用反射来初始化配置信息,如welcome页面,Servlet、servlet-mapping,filter,listener,启动加载级别等。

2.抽象Servlet类来转码处理请求和响应的业务。发过来的请求会有很多,也就意味着我们应该会有很多的Servlet,例如:RegisterServlet、LoginServlet等等还有很多其他的访问。可以用到类似于工厂模式的方法处理,随时产生很多的Servlet,来满足不同的功能性的请求。

3.使用多线程。本文的代码是死循环,且只能有一个链接,而现实中的情况是往往会有很多很多的客户端发请求,可以把每个浏览器的通信封装到一个线程当中。

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