Apache Tomcat「01」Tomcat 的整体架构

Samson_bu
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Tomcat 是一个开源的 Web 服务器和 Servlet 容器。因此，它的核心功能包括两部分：

  1. 作为 Web 服务器，需要负责网络连接管理。 具体来说就是，处理 Socket 连接，负责接收、发送网络字节流，根据应用层协议解析字节流，将解析的字节流封装称 ServletRequest 交给 Servlet 容器并处理 ServletResponse 通过字节流发送回请求端。
  2. 作为 Servlet 容器，需要加载和管理 Servlet，处理 ServletRequest 并生成 ServletResponse。

根据以上功能上的划分，Tomcat 定义了两个模块：连接器和容器，分别用来处理网络连接和管理 Servlet。 接下来，我们将一块学习下这两个模块。

01-Web 连接器

通过上面的描述，我们知道连接器主要功能包括：

  • 网络通信，TCP / ARP 等；
  • 应用层协议解析，HTTP、AJP 等；
  • 请求转化，主要是将应用层协议请求包装成 Servlet 可以处理的请求类型，并将 Servlet 产生的响应转化为底层应用协议响应。

针对这三部分功能，Tomcat 中设计了对应的实现：

  • 网络通信，由 Endpoint 负责。 Tomcat 中实现的 I/O 模型包括 NIO、NIO.2、ARP。
  • 应用层协议解析，由 Processor 负责。 Tomcat 支持的应用层协议包括：HTTP/1.1、AJP、HTTP/2。
  • 请求转化，由 Adapter 负责

它们之间的关系为：

  • 上行方向，Endpoint 负责从底层网络连接上接收字节流，并交给 Processor 处理，产生 request 对象给 Adapter，再包装成 Servlet 可以处理的 ServletRequest，交给容器处理。
  • 下行方向，容器中 Servlet 返回的 ServletResponse 交由 Adapter 处理变成对应的应用层协议 response 对象，然后交给 Processor 处理，变成字节流交给 Endpoint 发送给请求端。

注：Processor 产生的 request 对象，实际上是 org.apache.coyote.Request。 Adapter 指 org.apache.catalina.connector.CoyoteAdapter，它的核心方法是 CoyoteAdapter#service(org.apache.coyote.Request req, org.apache.coyote.Response res)。 在这个方法里，req/res 被转换为 org.apache.catalina.connector.Request 和 org.apache.catalina.connector.Response，这两个类实现了 Servlet 规范中的 API，是 Servlet 可以处理的类型。 org.apache.coyote.Request -> org.apache.catalina.connector.Request 的方式是作为后者的一个成员变量（适配器模式）。 在 service 方法里，转换后的 request/response 被交给容器（Engine）的 pipeline 处理，getPipeline().getFirst().invoke(request, response)。

更进一步地，Tomcat 的设计者将底层网络协议和应用层协议放在一起考虑，设计了 ProtocolHandler，并提供了一个基本的抽象实现 AbstractProtocol。 并针对 HTTP/1.1 和 AJP 协议，NIO / NIO.2 I/O 模型，提供了协议解析实现：

img_tomcat_protocol-handlers.png

02-Servlet 容器

Tomcat 中的容器（Servlet 容器，以下如果没特殊说明，容器特指 Servlet 容器）是分层次设计的，一共有4类：

  • Engine，是最顶层容器，管理多个站点。
  • Host，表示一个主机或站点。
  • Context，表示一个 Web 应用。
  • Wrapper，表示一个 Servlet。

不同容器之间的关系如下所示（图源自《深入拆解 Tomcat & Jetty》* 极客时间）：

img_tomcat_container-hierarchy.png

  1. 首先，根据协议和端口号确定的是 Engine。 如何确定的？前面我们介绍过连接器，根据协议和端口号，可以确定使用的连接器。每个连接器都关联着一个 Engine 容器。
  2. 然后，根据域名来确定 Host。
  3. 之后，根据 URL 中的路径信息，确定请求的是哪个 Web 应用，即确定 Context。
  4. 然后，根据 URL 中的路径信息，确定要处理该 URL 的 Servlet （Wrapper）是哪个。

以上四类容器都继承了容器基类 org.apache.catalina.core.ContainerBase，该类中有两个比较关键的字段属性：

  • HashMap<String, Container> children;，保存的是下一层次的容器，例如 Engine 中存储的是 Host，Host 中存储的是 Context。
  • Pipeline pipeline = new StandardPipeline(this);，Valve 组成的 pipeline，有些地方也称之为 “Pipeline-Valve”。 Pipeline 中有 basic 和 first 两个 Valve 对象，它们与 Pipeline 以及各类 Valve 对象串联起来形成处理 request/response 的流水线，如下图所示（图源自《深入拆解 Tomcat & Jetty》* 极客时间）：

img_tomcat_pipeline-valve.png

Engine 的实现类是 org.apache.catalina.core.StandardEngine，与它关联的 pipeline 中的 basic 是 org.apache.catalina.core.StandardEngineValve。 在其 invoke 方法中会调用 host 关联的 pipeline 中的 first 的 invoke 方法：

host.getPipeline().getFirst().invoke(request, response);

Host 的实现类是 org.apache.catalina.core.StandardHost，与它关联的 pipeline 中的 basic 是 org.apache.catalina.core.StandardHostValve。 在其 invoke 方法中会调用 context 关联的 pipeline 中的 first 的 invoke 方法：

Context context = request.getContext();
        
context.getPipeline().getFirst().invoke(request, response);

Context 的实现类是 org.apache.catalina.core.StandardContext，与它关联的 pipeline 中的 basic 是 org.apache.catalina.core.StandardContextValve。 在其 invoke 方法中会调用 wrapper 关联的 pipeline 中的 first 的 invoke 方法：

Wrapper wrapper = request.getWrapper();
wrapper.getPipeline().getFirst().invoke(request, response);

Wrapper 的实现类是 org.apache.catalina.core.StandardWrapper，与它关联的 pipeline 中的 basic 是 org.apache.catalina.core.StandardWrapperValve。 在其 invoke 方法中会创建 ApplicationFilterChain，并调用其 doFilter 方法（这里最终是将请求交给了 Servlet 处理）：

// Create the filter chain for this request
ApplicationFilterChain filterChain =
        ApplicationFilterFactory.createFilterChain(request, wrapper, servlet);

//  Call the filter chain for this request
filterChain.doFilter(request.getRequest(), response.getResponse());

Pipeline-Valve 与 FilterChain 的区别与相同点？

  • 相同点，都实现了责任链模式，前者由 Valve 组成，后者由 Filter 组成。
  • 不同点，前者作用于容器级别，后者作用于应用级别；前者是 Tomcat 特有的实现，而 FilterChain 是所有实现了 Servlet 规范的容器都支持的。

03-总结

今天，我介绍了 Apache Tomcat 的总体架构，主要包括两大部分，Web 连接器和 Servlet 容器。 Web 连接器负责网络连接管理及协议解析，并将请求包装成 Servlet 能够处理的格式。 了解了 Servlet 容器的分层设计以及请求、响应的基本处理流程，以及容器处理请求响应时的 Pipeline-Valve 责任链模式。

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