前言

我们知道SpringBoot给我们带来了一个全新的开发体验,我们可以直接把web程序达成jar包,直接启动,这就得益于SpringBoot内置了容器,可以直接启动,本文将以Tomcat为例,来看看SpringBoot是如何启动Tomcat的,同时也将展开学习下Tomcat的源码,了解Tomcat的设计。

从 Main 方法说起

用过SpringBoot的人都知道,首先要写一个main方法来启动

image.png

我们直接点击run方法的源码,跟踪下来,发下最终 的run方法是调用ConfigurableApplicationContext方法,源码如下:

public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {
    StopWatch stopWatch = new StopWatch();
    stopWatch.start();
    ConfigurableApplicationContext context = null;
    CollectionexceptionReporters = new ArrayList<>();
    //设置系统属性『java.awt.headless』,为true则启用headless模式支持
    configureHeadlessProperty();
    //通过*SpringFactoriesLoader*检索*META-INF/spring.factories*,
       //找到声明的所有SpringApplicationRunListener的实现类并将其实例化,
       //之后逐个调用其started()方法,广播SpringBoot要开始执行了
    SpringApplicationRunListeners listeners = getRunListeners(args);
    //发布应用开始启动事件
    listeners.starting();
    try {
    //初始化参数
      ApplicationArguments applicationArguments = new DefaultApplicationArguments(args);
      //创建并配置当前SpringBoot应用将要使用的Environment(包括配置要使用的PropertySource以及Profile),
        //并遍历调用所有的SpringApplicationRunListener的environmentPrepared()方法,广播Environment准备完毕。
      ConfigurableEnvironment environment = prepareEnvironment(listeners, applicationArguments);
      configureIgnoreBeanInfo(environment);
      //打印banner
      Banner printedBanner = printBanner(environment);
      //创建应用上下文
      context = createApplicationContext();
      //通过*SpringFactoriesLoader*检索*META-INF/spring.factories*,获取并实例化异常分析器
      exceptionReporters = getSpringFactoriesInstances(SpringBootExceptionReporter.class,
          new Class[] { ConfigurableApplicationContext.class }, context);
      //为ApplicationContext加载environment,之后逐个执行ApplicationContextInitializer的initialize()方法来进一步封装ApplicationContext,
        //并调用所有的SpringApplicationRunListener的contextPrepared()方法,【EventPublishingRunListener只提供了一个空的contextPrepared()方法】,
        //之后初始化IoC容器,并调用SpringApplicationRunListener的contextLoaded()方法,广播ApplicationContext的IoC加载完成,
        //这里就包括通过**@EnableAutoConfiguration**导入的各种自动配置类。
      prepareContext(context, environment, listeners, applicationArguments, printedBanner);
      //刷新上下文
      refreshContext(context);
      //再一次刷新上下文,其实是空方法,可能是为了后续扩展。
      afterRefresh(context, applicationArguments);
      stopWatch.stop();
      if (this.logStartupInfo) {
        new StartupInfoLogger(this.mainApplicationClass).logStarted(getApplicationLog(), stopWatch);
      }
      //发布应用已经启动的事件
      listeners.started(context);
      //遍历所有注册的ApplicationRunner和CommandLineRunner,并执行其run()方法。
        //我们可以实现自己的ApplicationRunner或者CommandLineRunner,来对SpringBoot的启动过程进行扩展。
      callRunners(context, applicationArguments);
    }
    catch (Throwable ex) {
      handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, listeners);
      throw new IllegalStateException(ex);
    }

    try {
    //应用已经启动完成的监听事件
      listeners.running(context);
    }
    catch (Throwable ex) {
      handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, null);
      throw new IllegalStateException(ex);
    }
    return context;
  }

其实这个方法我们可以简单的总结下步骤为 > 1. 配置属性 > 2. 获取监听器,发布应用开始启动事件 > 3. 初始化输入参数 > 4. 配置环境,输出banner > 5. 创建上下文 > 6. 预处理上下文 > 7. 刷新上下文 > 8. 再刷新上下文 > 9. 发布应用已经启动事件 > 10. 发布应用启动完成事件

其实上面这段代码,如果只要分析tomcat内容的话,只需要关注两个内容即可,上下文是如何创建的,上下文是如何刷新的,分别对应的方法就是createApplicationContext() 和refreshContext(context),接下来我们来看看这两个方法做了什么。

protected ConfigurableApplicationContext createApplicationContext() { Class<!--?--> contextClass = this.applicationContextClass; if (contextClass == null) { try { switch (this.webApplicationType) { case SERVLET: contextClass = Class.forName(DEFAULT_SERVLET_WEB_CONTEXT_CLASS); break; case REACTIVE: contextClass = Class.forName(DEFAULT_REACTIVE_WEB_CONTEXT_CLASS); break; default: contextClass = Class.forName(DEFAULT_CONTEXT_CLASS); } } catch (ClassNotFoundException ex) { throw new IllegalStateException( "Unable create a default ApplicationContext, " + "please specify an ApplicationContextClass", ex); } } return (ConfigurableApplicationContext) BeanUtils.instantiateClass(contextClass); }


这里就是根据我们的webApplicationType 来判断创建哪种类型的Servlet,代码中分别对应着Web类型(SERVLET),响应式Web类型(REACTIVE),非Web类型(default),我们建立的是Web类型,所以肯定实例化 DEFAULT_SERVLET_WEB_CONTEXT_CLASS指定的类,也就是AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext类,我们来用图来说明下这个类的关系

image.png


通过这个类图我们可以知道,这个类继承的是ServletWebServerApplicationContext,这就是我们真正的主角,而这个类最终是继承了AbstractApplicationContext,了解完创建上下文的情况后,我们再来看看刷新上下文,相关代码如下:

image.png

这里还是直接传递调用本类的refresh(context)方法,最后是强转成父类AbstractApplicationContext调用其refresh()方法,该代码如下:

// 类:AbstractApplicationContext public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException { synchronized (this.startupShutdownMonitor) { // Prepare this context for refreshing. prepareRefresh(); // Tell the subclass to refresh the internal bean factory. ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory(); // Prepare the bean factory for use in this context. prepareBeanFactory(beanFactory); try { // Allows post-processing of the bean factory in context subclasses. postProcessBeanFactory(beanFactory); // Invoke factory processors registered as beans in the context. invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory); // Register bean processors that intercept bean creation. registerBeanPostProcessors(beanFactory); // Initialize message source for this context. initMessageSource(); // Initialize event multicaster for this context. initApplicationEventMulticaster(); // Initialize other special beans in specific context subclasses.这里的意思就是调用各个子类的onRefresh() onRefresh(); // Check for listener beans and register them. registerListeners(); // Instantiate all remaining (non-lazy-init) singletons. finishBeanFactoryInitialization(beanFactory); // Last step: publish corresponding event. finishRefresh(); } catch (BeansException ex) { if (logger.isWarnEnabled()) { logger.warn("Exception encountered during context initialization - " + "cancelling refresh attempt: " + ex); } // Destroy already created singletons to avoid dangling resources. destroyBeans(); // Reset 'active' flag. cancelRefresh(ex); // Propagate exception to caller. throw ex; } finally { // Reset common introspection caches in Spring's core, since we // might not ever need metadata for singleton beans anymore... resetCommonCaches(); } } }


这里我们看到onRefresh()方法是调用其子类的实现,根据我们上文的分析,我们这里的子类是ServletWebServerApplicationContext

image.png

到这里,其实庐山真面目已经出来了,createWebServer()就是启动web服务,但是还没有真正启动Tomcat,既然webServer是通过ServletWebServerFactory来获取的,我们就来看看这个工厂的真面目。

image.png

走进Tomcat内部

根据上图我们发现,工厂类是一个接口,各个具体服务的实现是由各个子类来实现的,所以我们就去看看TomcatServletWebServerFactory.getWebServer()的实现。

image.png

根据上面的代码,我们发现其主要做了两件事情,第一件事就是把Connnctor(我们称之为连接器)对象添加到Tomcat中,第二件事就是configureEngine,这连接器我们勉强能理解(不理解后面会述说),那这个Engine是什么呢?我们查看tomcat.getEngine()的源码:

image.png

根据上面的源码,我们发现,原来这个Engine是容器,我们继续跟踪源码,找到Container接口

image.png

上图中,我们看到了4个子接口,分别是Engine,Host,Context,Wrapper。我们从继承关系上可以知道他们都是容器,那么他们到底有啥区别呢?我看看他们的注释是怎么说的。

/** If used, an Engine is always the top level Container in a Catalina * hierarchy. Therefore, the implementation's <code>setParent()</code> method * should throw <code>IllegalArgumentException</code>. * * @author Craig R. McClanahan */public interface Engine extends Container {    //省略代码}/** * <p> * The parent Container attached to a Host is generally an Engine, but may * be some other implementation, or may be omitted if it is not necessary. * </p><p> * The child containers attached to a Host are generally implementations * of Context (representing an individual servlet context). * * @author Craig R. McClanahan */public interface Host extends Container {//省略代码    }/*** </p><p> * The parent Container attached to a Context is generally a Host, but may * be some other implementation, or may be omitted if it is not necessary. * </p><p> * The child containers attached to a Context are generally implementations * of Wrapper (representing individual servlet definitions). * </p><p> * * @author Craig R. McClanahan */public interface Context extends Container, ContextBind {    //省略代码}/**</p><p> * The parent Container attached to a Wrapper will generally be an * implementation of Context, representing the servlet context (and * therefore the web application) within which this servlet executes. * </p><p> * Child Containers are not allowed on Wrapper implementations, so the * <code>addChild()</code> method should throw an * <code>IllegalArgumentException</code>. * * @author Craig R. McClanahan */public interface Wrapper extends Container {    //省略代码}


上面的注释翻译过来就是,Engine是最高级别的容器,其子容器是Host,Host的子容器是Context,WrapperContext的子容器,所以这4个容器的关系就是父子关系,也就是Engine>Host>Context>Wrapper。 我们再看看Tomcat类的源码:

//部分源码,其余部分省略。public class Tomcat {//设置连接器
     public void setConnector(Connector connector) {
        Service service = getService();        boolean found = false;        for (Connector serviceConnector : service.findConnectors()) {            if (connector == serviceConnector) {
                found = true;
            }
        }        if (!found) {
            service.addConnector(connector);
        }
    }    //获取service
       public Service getService() {        return getServer().findServices()[0];
    }    //设置Host容器
     public void setHost(Host host) {
        Engine engine = getEngine();        boolean found = false;        for (Container engineHost : engine.findChildren()) {            if (engineHost == host) {
                found = true;
            }
        }        if (!found) {
            engine.addChild(host);
        }
    }    //获取Engine容器
     public Engine getEngine() {
        Service service = getServer().findServices()[0];        if (service.getContainer() != null) {            return service.getContainer();
        }
        Engine engine = new StandardEngine();
        engine.setName( "Tomcat" );
        engine.setDefaultHost(hostname);
        engine.setRealm(createDefaultRealm());
        service.setContainer(engine);        return engine;
    }    //获取server
       public Server getServer() {        if (server != null) {            return server;
        }

        System.setProperty("catalina.useNaming", "false");

        server = new StandardServer();

        initBaseDir();        // Set configuration source
        ConfigFileLoader.setSource(new CatalinaBaseConfigurationSource(new File(basedir), null));

        server.setPort( -1 );

        Service service = new StandardService();
        service.setName("Tomcat");
        server.addService(service);        return server;
    }    
    //添加Context容器
      public Context addContext(Host host, String contextPath, String contextName,
            String dir) {
        silence(host, contextName);
        Context ctx = createContext(host, contextPath);
        ctx.setName(contextName);
        ctx.setPath(contextPath);
        ctx.setDocBase(dir);
        ctx.addLifecycleListener(new FixContextListener());        if (host == null) {
            getHost().addChild(ctx);
        } else {
            host.addChild(ctx);
        }        
    //添加Wrapper容器
         public static Wrapper addServlet(Context ctx,
                                      String servletName,
                                      Servlet servlet) {        // will do class for name and set init params
        Wrapper sw = new ExistingStandardWrapper(servlet);
        sw.setName(servletName);
        ctx.addChild(sw);        return sw;
    }
    
}

阅读TomcatgetServer()我们可以知道,Tomcat的最顶层是Server,Server就是Tomcat的实例,一个Tomcat一个Server;通过getEngine()我们可以了解到Server下面是Service,而且是多个,一个Service代表我们部署的一个应用,而且我们还可以知道,Engine容器,一个service只有一个;根据父子关系,我们看setHost()源码可以知道,host容器有多个;同理,我们发现addContext()源码下,Context也是多个;addServlet()表明Wrapper容器也是多个,而且这段代码也暗示了,其实WrapperServlet是一层意思。另外我们根据setConnector源码可以知道,连接器(Connector)是设置在service下的,而且是可以设置多个连接器(Connector)。

根据上面分析,我们可以小结下: Tomcat主要包含了2个核心组件,连接器(Connector)和容器(Container),用图表示如下:

一个Tomcat是一个Server,一个Server下有多个service,也就是我们部署的多个应用,一个应用下有多个连接器(Connector)和一个容器(Container),容器下有多个子容器,关系用图表示如下:

Engine下有多个Host子容器,Host下有多个Context子容器,Context下有多个Wrapper子容器。

总结

SpringBoot的启动是通过new SpringApplication()实例来启动的,启动过程主要做如下几件事情: > 1. 配置属性 > 2. 获取监听器,发布应用开始启动事件 > 3. 初始化输入参数 > 4. 配置环境,输出banner > 5. 创建上下文 > 6. 预处理上下文 > 7. 刷新上下文 > 8. 再刷新上下文 > 9. 发布应用已经启动事件 > 10. 发布应用启动完成事件

而启动Tomcat就是在第7步中“刷新上下文”;Tomcat的启动主要是初始化2个核心组件,连接器(Connector)和容器(Container),一个Tomcat实例就是一个Server,一个Server包含多个Service,也就是多个应用程序,每个Service包含多个连接器(Connetor)和一个容器(Container),而容器下又有多个子容器,按照父子关系分别为:Engine,Host,Context,Wrapper,其中除了Engine外,其余的容器都是可以有多个。

下期展望

本期文章通过SpringBoot的启动来窥探了Tomcat的内部结构,下一期,我们来分析下本次文章中的连接器(Connetor)和容器(Container)的作用,敬请期待。