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窥探Tomcat整体架构,server.xml常用配置解析!

窥探Tomcat整体架构,server.xml常用配置解析!

一、前言

server.xml 配置,是 Tomcat启动配置,从配置结构可以看出 Tomcat 的整体架构。如果能够了解其常用配置项,对 Tomcat有一个高屋建瓴的把握,然后再庖丁解牛,一步步深入源码中分析每一个核心功能的实现细节,这样会有事半功倍的效果。

1.1 server.xml配置示例

  1. 如上图 server.xml 配置,最外层是一个 Server,代表 Tomcat的运行实例。Server 里有一些监听器 Listener,一个不知道干啥的 GlobalNamingResources,还有一个 Service,通过阅读源码,发现一个 Server 里可以有多个 Service。

  2. Service可以理解为是对部署在Tomcat里的服务的抽象,一个Tomcat可以部署多个服务,但是我更喜欢把一个Service理解成一个服务集合或者集群。

  3. Service里有一个 Executor、Connector 和 Engine。Executor是一个线程池,可以供 Contector使用;Connector 定义了协议连接(HTTP/AJP),外界就是通过Connector访问Service里的服务的;Engine是容器引擎,可以理解它为Servlet容器,真正的业务处理在Engine里。通过阅读源码,一个Service可以有多个Executor,多个Connector,一个Engine。如果把Service比作一个房子,Connector比作门,一个房子可以有多个门就好理解了。

  4. Engine内部较复杂,它内部就像俄罗斯套娃,有多个子容器,子容器下又可以有多个子容器。正如Engine的英文含义,引擎,驱动和管理内部子容器。因为是最顶端的管理者,会包含一些组件辅助管理子容器。Engine可以有多个Host容器,可以理解为虚拟主机(URL地址中主机部分抽象);Host容器里有多个Context容器,Context就是一个个Web应用;Context容器里有多个Wrapper容器,server.xml中一般不用配置,Wrapper是对Servlet的包装,就是一个个业务功能了。

  5. 如果对应上Service房子的比喻,Engine可以比作房子里所有房间的总和,或者是通向每个房间的走道,Host就是一个个房间,房间里有一些家具家电(Context),每一个家具家电有很多功能(Wrapper)。

二、Tomcat运行实例Server

Server是Tomcat运行实例的抽象,管理着内部多个服务。在Tomcat源码中Server的默认标准实现是org.apache.catalina.core.StandardServer:

  • 默认有6个生命周期监听器,监听Server不同运行阶段的事件并作出响应。

  • GlobalNamingResources全局命名资源,通过JNDI提供统一的命名对象访问接口。

  • Server监听了一个端口,默认8005,如果这个端口传来SHUTDOWN指令,则关闭Tomcat。

  • Server还有两个定时任务,监听触发一些在Tomcat整个生命周期里周期性事件,暂时只有自动部署。

2.1 生命周期监听器

(1)VersionLoggerListener

org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener监听初始化阶段,输出一些运行日志,如操作系统、JDK、Tomcat版本信息以及catalina.base、catalina.home的定义等。

(2)AprLifecycleListener

Tomcat可以使用APR本地库从操作系统级别解决异步IO问题,通过JNI方式调用APR本地库大幅提高对静态资源的处理性能。org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener对初始化前的事件和销毁后的事件感兴趣:

在Tomcat初始化前,AprLifecycleListener尝试初始化APR库,如果初始化成功,则使用APR接收并处理客户端的请求。

在Tomcat销毁后,AprLifecycleListener会对APR做一些销毁终止操作。

(3)JreMemoryLeakPreventionListener

org.apache.catalina.core.JreMemoryLeakPreventionListener监听器会在Tomcat初始化时使用系统类加载器预先加载一些JRE的类和设置URLConnection缓存禁用属性,以避免线程上下文类加载器是Tomcat自定义的Webappclassloader时,加载JRE导致的内存泄漏和URLConnection缓存导致的锁文件问题。

(4)GlobalResourcesLifecycleListener

org.apache.catalina.mbeans.GlobalResourcesLifecycleListener会在Tomcat启动时为JNDI创建MBean,停止时销毁MBean。

(5)ThreadLocalLeakPreventionListener

org.apache.catalina.core.ThreadLocalLeakPreventionListener监听器监听Context停止后,销毁连接器Connector中Executor的所有核心工作线程,并重新创建,以避免使用ThreadLocal带来的内存泄漏。

(6)NamingContextListener

org.apache.catalina.core.NamingContextListener监听器在Tomcat启动时创建并绑定全局命名资源,在Tomcat停止前做一些解绑全局命名资源、反注册销毁等操作。

2.2 GlobalNamingResources

GlobalNamingResources全局命名资源,通过JNDI提供统一的命名对象访问接口。而JNDI(Java Naming and Directory Interface)是一个比较老旧的技术,在历史遗留的企业级应用中可能还在用,诸如获取一个数据库连接资源、自定义配置等,这种强耦合在启动配置文件里的方式已经不适用现在轻量级的应用和分布式服务了。(后续可以单独研究下,这里了解即可。)

2.3 监听SHUTDOWN命令

Tomcat启动时,主线程做完所有启动工作后,会进入循环等待SHUTDOWN的状态。如果接收到SHUTDOWN,结束循环调用Tomcat停止销毁接口。

实现方式很简单,单独给主线程建立一个socket连接,时刻监听某个端口(默认8005),是否发来SHUTDOWN命令。

2.4 定时触发自动部署周期性事件

Server启动时,会开启两个定时任务,一个是每10秒触发一次自动部署事件,而这个定时任务可能会因为自动部署的检查和部署过程中出现异常导致该定时任务停止,所以就有了另一个定时任务每1分钟检查一次自动部署定时任务是否有在正常运行,没有就重新设置。(自动部署是Host的工作,在Host的生命周期监听器HostConfig中监听执行)

三、服务抽象Service

Service默认标准实现是org.apache.catalina.core.StandardService,如果在Server中配置了多个Service,name必须唯一,不可重复。

Service包含的组件有Executor、Connector、Engine,还有一个Mapper组件没有在配置中体现,一般也不需要配置。

3.1 共享线程池Executor

Service中可以定义一些线程池,供Connector和其他组件使用。Tomcat没有另起炉灶实现自己的线程池,而是在JUC的ThreadPoolExecutor基础上做了定制化改造,默认标准实现是org.apache.catalina.core.StandardThreadExecutor。

Executor可配置项如下:

注意:

如果指定Executor的实现是StandardThreadExecutor,那么prestartminSpareThreads无论是true还是false,都会预先创建minSpareThreads个核心工作线程。

3.2 连接器Connector

Connector是Service的门户,一个Service可以有多个Connector。Connector定义了多种连接协议,配置较为复杂,现仅提供常见配置说明:

注意:

Tomcat10.0.6中NioEndpoint已经不能配置Poller线程和acceptor线程的个数,默认都是一个,同时AprEndpoint也标注为不建议使用,所以关于APR的配置也可以不用深入了解。后面会详细研究Connector的内部实现,到时讲解其他与源码相关的配置项。

3.3 容器引擎Engine

Engine是Servlet容器最顶端的管理者,负责处理对应Service中所有请求,包含多个Host和其他组件。默认标准实现是org.apache.catalina.core.StandardEngine。Engine以及其子容器都继承自ContainerBase,都有些相似的组件,如AccessLog、Pipeline、Cluster、Realm、Log、LifecycleListener、ContainerListener等。

Engine、Host、Context都有一个同名前缀的LifecycleListener,如Engine的是EngineConfig,Host的是HostConfig,Context是ContextConfig,分别监听自己感兴趣的生命周期事件,如EngineConfig就是在Engine启动停止时输出一些日志。

对于Engine节点可选配置有如下几个:

注意:

  • Engine即其子容器Host、Context、Wrapper都可以设置backgroundProcessorDelay这个参数,都可以有自己的后台线程来延迟backgroundProcessorDelay时长周期性处理一些事情。如果backgroundProcessorDelay<=0则不会创建私有的后台线程,默认Engine中这个参数是10,其他子容器是-1,所以一般情况子容器需要后台处理的事情,都交由Engine启动的后台线程周期性延迟处理。

  • 上层容器启动停止下层容器时,会用一个线程池来做异步处理。

3.4 URI映射器Mapper

Service中Mapper组件主要提供给Connector和Context使用,Connector中处理完连接后需要将请求信息交给对应的Host处理,可以通过Mapper的解析找到Host;Context通过Mapper找到对应的Servlet(Wrapper)处理业务。

Mapper还有一个对应的生命周期监听器MapperListener,其主要监听容器启动后,将容器注册到Mapper的关系中,建立一个树状结构。容器停止后做一些销毁、反注册操作。

(详细的Mapper原理后面会单独出文章讲解)

四、虚拟主机Host

Host是Engine的子容器,默认标准实现是org.apache.catalina.core.StandardHost。它的主要职责就是管理和部署子容器Context,比如,Host启动前,预先创建好部署web应用的目录;Host启动时,部署web应用;Host运行过程中,周期性检查web应用是否需要自动部署,这些监听工作都是在HostConfig中做的。

如下是Host的一些常用配置:

4.1 Host部署web应用

Host部署web应用(Context)的三种方式:

  • Context描述文件部署,默认是%CATALINA_BASE%/conf/[EngineName]/[HostName]/目录下,可以有多个Context配置,后缀必须为.xml。可以通过xmlBase指定Context配置文件存放目录。

  • WAR包部署,即将web应用打包成一个.war部署,默认放在%CATALINA_BASE%/webapps目录下,可以通过appBase指定一个绝对路径。

  • 目录部署,默认也是放在%CATALINA_HOME%/webapps目录下。

三种部署的过程都是解析实例化Context,而后两者web应用可能有自己的META-INF/context.xml,则通过解析它来组装生成Context,否则就解析全局的%CATALINA_BASE%/conf/context.xml。

五、Web应用Context

Context是对Web应用的抽象,相对其他容器有很多组件,且结构上复杂很多。默认标准实现是org.apache.catalina.core.StandardContext,其主要的职责有:

  • Wrapper管理,Context下有很多Wrapper,Wrapper是对Servlet的包装抽象,是最小的容器。

  • 错误页面ErrorPage管理,在web.xml里可以配置请求处理过程中发生异常重定向的页面路由。

  • 会话Session管理。

  • Jar包扫描和加载,一个Context有一个自定义类加载,扫描和加载/WEB-INF/lib下的jar包。

  • 热加载,定期检查/WEB-INF/lib和/WEB-INF/classes目录下的.jar和.class文件是否更新,更新了就重新加载。热加载过程较消耗资源,仅适用于开发环境,不可用于生产环境。

  • ServletContainerInitializer的初始化。

  • 除了生命周期监听器外,还有很多其他监听器。

  • 实例管理。

  • 静态资源缓存管理。

Context常用配置如下

5.1 Resources配置

Resources是对静态资源的抽象,可以设置缓存以提高响应性能。默认标准实现是org.apache.catalina.webresources.StandardRoot。

StandardRoot中有五种WebResourceSet:preResources、mainResources、classResources、jarResources、postResources,支持的配置如下:

六、Servlet包装器Wrapper

Wrapper相对于Engine、Host、Context是最小的容器,其父容器必须是Context,没有其他子容器。默认标准实现是org.apache.catalina.core.StandardWrapper。一般情况一个Servlet对应一个Wrapper,这就是为什么Servlet不是线程安全的了,Servlet以单例的实现存在,多个线程访问肯定不是线程安全的,虽然有Servlet对象池的选择,但是Tomcat10.0.6已经不建议这样做。

七、要点总结

本篇只对server.xml常用的配置进行解释,并通过配置文件节点关系,大概梳理了Tomcat整体架构。

Tomcat是一个非常优秀的开源项目,值得揉碎了仔细研究的细节实在太多,比如:

  • 线程池定制化改造;

  • 连接Connector的设计以及如何连接到容器Engine的;

  • Mapper组件如何解析映射URI;

  • 一个请求的处理和响应过程;

  • 生命周期框架的设计;

  • 自定义类加载器加载机制,如何做到隔离和共享,如何打破双亲委派;

  • 热部署,热加载的实现细节;

  • 如何解析server.xml配置;

  • 部署web应用的细节;

  • 容器之间如何做到有序连接,Pipeline和Valve的实现细节;

  • Servlet如何实现双向过滤;

  • 各种监听器

  • 等等

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