阅读 541

深入理解Tomcat架构

   Tomcat对于web开发人员来说再熟悉不过了,它是由Apache开发的一个免费开源的Web应用服务器。在Web开发时,经常用它构建轻量级的Java Web服务。想要简单的使用Tomcat是非常容易的,但是想要深入了解Tomcat体系必须要了解它背后的架构设计。

   本篇文章对《Tomcat内核设计剖析》这本书的阅读总结,大概的梳理了一下Tomcat的架构设计、模块组成。

   其实从Tomcat配置文件Server.xml的格式就能看出它的结构。

<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
<Server>
	<Listener/>
    <GlobalNamingResource>
    	<Resoource/>
    </GlobalNamingResource>
    <Service>
    	<Executor/>
        <Connector/>
        <Engine>
        	<Cluster/>
            <Realm/>
            <Host>
            	<Context/>
            </Host>
        </Engine>
    </Service>
</Server>
复制代码

Server组件

   Server组件代表整个Tomcat容器,是Tomcat最外层的组件,它包括三个部分:生命周期监听器,全局命名资源,Service组件

1.生命周期监听器

   由于Tomcat是庞大而复杂的,并且它拥有很多组件,如果这些组件一个一个单独启动时非常麻烦的,而且容易遗漏,不易扩展其他组件。所以Tomcat提供了监听器方案,在其生命周期的不同阶段调用监听器,如果某个组件对于某事件感兴趣,只需要实现接口即可

2.全局命名资源

   对应Server.xml配置文件的节点就是<GlobalNamingResource>,在Tomcat初始化时通过Digester框架将其解析成对象,并以树状结构存储,它提供的命名对象通过ResourceLink给所有Web应用访问使用。如:JNDI中存储数据库连接池对象。

3.监听关闭命令

   Server组件会开放一个端口用于监听命令,默认为8005.当Tomcat接口收到“SHUTDOWN”命令时则会关闭程序。

Service组件

   Server组件中可以包含多个Service组件,Service组件也是Tomcat最外层的组件之一。包含若干Connector组件和Executor组件组合而成,其中不同的Connector组件可以使用不用的通信协议,如:HTTP,AJP。

   Executor组件则是Service组件下的线程池,Connector组件可以通过Executor组件实现线程池共享,默认情况下使用自己的私有线程池,其他组件也可以使用。此外,Service组件还包含了一个非常重要的Engine组件,Connector组件负责接收客户端消息,而Engine组件则负责处理客户端消息。

Connector组件

   Connector主要职责就是接收客户端连接并接收报文,将其解析后裔送给Engine处理。它的组件包括:Protocol组件,Mapper组件,CoyoteAdaptor组件。

   Protocol是协议的抽象,它有不同的实现,每一个实现对应一种通信协议,其中包括的Endpoint是接收端的抽象,分为Acceptor专门接收客户端连接的接收器组件和Executor线程池组件,Processor组件是对客户端请求处理的抽象。

   Mapper是路由组件,它可以将请求分发到对应的Web应用的某个Servlet上。

   而CoyoteAdaptor组价是一个适配器,它负责将Connector组件和Engine容器适配连接起来。

以Http协议来说:

   Protocol组件的HTTP实例则是Http11Protocol和HttpNIOProtocol。由IO模式的不同,可以分为阻塞模式和非阻塞模式

1.HTTP阻塞模式协议

   HttpProtocol表示阻塞式的HTTP协议通信,由传统Socket套接字为底层实现,它包含JIoEndpoint和Http11Processor组件

  • JIoEndpoint

   ServerSocketFactory根据不同的安全层次如HTTP,HTTPS创建ServerSocket对象供Acceptor使用。    连接数控制器(LimitLatch)对连接数进行计数,来一个请求加一,请求结束后减一。请求数过多时就阻塞请求或拒绝处理。    Socket接收器(Acceptor),监听某个端口,当有连接时就将任务丢给任务执行器。    任务定义器(SocketProcessor),定义好任务处理的统一流程抽象,如:

{
	处理套接字输出的响应报文;
	连接数计数器减一;
	关闭套接字;
}
复制代码

  任务执行器(Executor),维护一个任务队列,不断从任务队列中取得任务,执行任务定义器定义好的任务。

  • HTTP阻塞处理器(Http11Processor)   Http11Processor提供了对Http协议的通信处理,将接收到的报文解析成我们熟知的请求对象,Request和Response,提供一个门面对象供Web应用使用。

2.Http非阻塞模式协议

  Http11NIOProtocol表示非阻塞模式Http协议的通信,它主要包含NioEndpoint组件和Http11NioProcessor组件。一个连接到来时,将被注册到NioChannel队列中,由Poller负责检测通道的读写事件,并在创建任务后扔进线程池中。

  BIO模式在接收到一个请求时,将开启一个线程处理该请求,此时一个线程只能处理一个请求,并且请求并不是like发送数据,由于网络或业务的一些原因,服务端并不能立刻接收到数据进行处理,而在等待数据准备的过程中造成了资源浪费。

  NIO模式克服了这种弊端,它能基于时间在一个线程中同时维护大量连接,它将套接字工作交给一个线程,读写交给其他N个线程,在接收请求后,它将请求放入Channel队列中,用轮询器不断检测通道读写事件,如果数据准备好了,可读后,则将该连接交由连接池读写处理。

  NIO模式,对数据的操作读写,即调用基础的IO操作API依然是阻塞的,只有对网络IO才是非阻塞的,在等待数据时是非阻塞的。

  同步非阻塞:同步时对IO来说,非阻塞是处理方式。

Engine容器

  Engine即为全局引擎容器,它的标准实现为StandardEngine。其中主要包括组件有Host、AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm、LifecycleListener、Log组件。

AccessLog、Log组件,日志框架

  Tomcat提供了统一的日志接口Log,并提供了国际化组件,在每个Java包下面都会存在LocalStrings.properties的不同语言版本。并且以Java包为单位划分范围,每个类如果需要查找消息都到对应的java包下的properties文件中查找。

  还设计了客户端访问日志记录接口,并提供了不同的实现,对持久化方式的不同有FileAccessLog,JDBCAccessLog等,还可以自己实现访问日志组件。

Pipeline(管道与阀门)

  在复杂的大型系统中,存在某个对象或数据流需要进行繁杂的逻辑处理,可以采用管道模式,划分出每个小模块互相独立且各自负责一段逻辑处理。

  如Request、Response就是这种需要进行繁复加工处理的对象,采用管道在其中设置阀门处理逻辑。在Tomcat中有4个级别的容器分别是 Engine、Host、Context、Wrapper。请求对象将分别由这4个容器处理,在4个容器之间通过管道机制进行传递,请求对象先通过Engine管道,经由若干个阀门处理,最后由基础阀门处理流转到下一级通道,每一级管道都有一个基础阀门。

Cluster(集群)组件

  Tomcat提供了集群功能,可以快速的布置Web集群应用,而集群之间的一些通信则由Cluster组件完成。Cluster组件主要功能是提供会话复制,上下文属性复制和在集群下的web应用部署,并且Cluster组件可分为两个级别Engine和Host。

  在Cluster组件内部真正负责集群间通信的是Tribes组件,它维护着一个集群内存活主机列表,当Cluster调用发送消息接口时,由Tribes组件将消息发送到集群中的其他主机上。

Realm组件

  Realm域其实可以看成一个包含了用户及密码的数据库,根据用户角色的不同,限制用户访问应用的url或资源信息。Realm域是为了统一web容器资源安全、管理,统一抽象重复认证工作方便web应用资源权限管理开发而提供的一个概念,它支持Engine、Host、Context级别容器的共享。

LifecycleListener

  LifecycleListener即是容器生命周期状态监听器。

Host组件

  Host组件是Servlet引擎中虚拟主机的抽象,Engine中可以包含多个Host容器,而一个Host容器也可以包含若干个Context容器,Host容器包括的组件有Context容器、AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm、HostConfig、Log组件

1.HostConfig

  Host作为虚拟主机容器,用于放置Context级别容器,而Context其实对应的就是web应用,每个Tomcat应用都有自己的配置,当Tomcat启动时,必须把对应web属性加载进Context中,如果在Tomcat启动时加载配置,这样对Context的配置修改不会立刻生效,必须重启Tomcat。所以Tomcat采用监听器的方式,当Tomcat启动时触发“START_EVENT”事件时执行web应用部署动作。

Context容器

  Context容器对应一个Web应用程序,它包含若干个Wrapper组件、Realm、AccessLog、ErrorPage、Manager、DirContext、安全认证组件、JarScanner、过滤器、NamingResource、Mapper、Pipeline、WebAppLoader、ApplicationContext、InstanceManager、ServletContainerInitializer和Listeners组件。

  • AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm,已经介绍过。
  • ErrorPage(错误页面):每个Context容器都拥有各自的错误页面对象,它可以在Context标签下进行配置。
  • Manager(会话管理器):用于Context容器下的会话管理,提供不同的实现,有基于内存的,基于文件的持久化,基于JDBC等实现方案,此外针对集群,还提供了集群会话管理器,可以在集群中同步共享会话。
  • DirContext(目录上下文):属于JNDI的标准接口,目的是采用一种简单的方式访问整个Web应用包含的文件,由于web应用文件格式不同提供了WARDirContext、FileDirContext两种实现。
  • JarScanner:顾名思义,它是专门用于扫描Context对于的Web应用的jar包。
  • 过滤器:在web开发中,过滤器是经常使用的组件之一,它提供了为某个web应用的所有请求和响应做统一处理的功能。

Wrapper容器

  Wrapper容器对应的就是Servlet,它内部维持了一个Servlet对象或者一个Servlet对象池。一般来说一个Wrapper只有一个Servlet对象,所以所有处理线程都调用同一个Servlet对象,但某个Servlet实现了SingleThreadModel接口也允许多个对象存在。

  request,response对象由Context基础阀门流转到Wrapper容器管道后,经过Wrapper管道的多个阀门,最后进入基础阀门,基础阀门调用过滤链,最后调用Servlet接口的service方法,对于HttpServlet实现来说,在调用service方法后,HttpServlet在service方法内部对Method进行判断,分别调用doGet、doPost等不同方法。

类加载器

  容器最重要的是对于资源的隔离,Tomcat采用自定义的类加载器完成了资源的隔离解决了以下四个问题:

  • 同一个Web服务器内,各web项目之间的java类库相互隔离
  • 同一个web服务器内,各web项目可以共享java类库
  • 服务器不能收web项目影响,所以服务器类库应该与应用程序隔离
  • 支持热重载

  使用java类加载器可以动态加载需要的类,没有使用到的类不需要加载,可以节省程序运行内存。在java中我们用完全匹配类名来标识一个类,而在JVM中由完全匹配类名和一个类加载器的实例Id作为唯一标识。也就是说,同一个虚拟机可以有两个包名、类名都相同的类,只要它们由两个不同的类加载器加载。这种特征为我们提供了隔离机制,只要对不同的web项目用不同的类加载器加载jar包就可以隔离开资源类库。而在热重载的时候,只需要重新创建一个类加载器替换旧的类加载器,而原来的类加载器会被gc回收,就可以不用重启Tomcat而重新加载了web应用程序。

Jasper

  Jasper就是JSP解析引擎,Tomcat使用Jasper解析Jsp文件,将之转化成继承HttpJspBase的类文件,然后用Eclipse JDT java编译器或Ant编译器将java文件编译成字节码文件,最后采用类加载器加载字节码文件。这也是为什么Tomcat第一次访问jsp文件比较慢的原因,它需要将jsp编译成字节码文件加载运行,在第一次加载完成后,Tomcat将它缓存下来下次就可以直接使用,并且Tomcat会在后台线程不断检测Jsp文件与编译后的字节码文件的最后修改时间是否相同,如果不相同,则表示jsp文件有改动,则需要重新编译。

总结

  Tomcat是一个十分庞大的项目,其中涉及到方方面面的知识,我根据《Tomcat内核设计剖析》这本书的介绍从宏观上了解了Tomcat的总体设计,依然某些方面理解起来十分吃力,对于Tomcat架构的细节方面依然需要时间慢慢体会,深入挖掘。本文也是比较浅显的做了一下读书笔记,如果其中有些地方我理解错误,欢迎评论指出。

  大概回想了一下,关于Tomcat架构主要就是围绕Connector和Container组件,一个是接收器,一个是处理容器,而Container组件在Tomcat中没有显示标明,它其实就是Engine容器。通过接收器监听端口连接,当有请求到来时,接收器将获取请求读取请求报文解析成Request、Response对象,之后交给Engine引擎进行处理,经过一层层处理后,接收器再将Response对象解析成响应报文返回给客户端。