一、架构
下面谈谈我对Tomcat架构的理解
总体架构：
1、面向组件架构
2、基于JMX
3、事件侦听
1）面向组件架构
tomcat代码看似很庞大，但从结构上看却很清晰和简单，它主要由一堆组件组成，如Server、Service、Connector等，并基于JMX管理这些组件，另外实现以上接口的组件也实现了代表生存期的接口Lifecycle，使其组件履行固定的生存期，在其整个生存期的过程中通过事件侦听LifecycleEvent实现扩展。Tomcat的核心类图如下所示：
1、Catalina：与开始/关闭shell脚本交互的主类，因此如果要研究启动和关闭的过程，就从这个类开始看起。
2、Server：是整个Tomcat组件的容器，包含一个或多个Service。
3、Service：Service是包含Connector和Container的集合，Service用适当的Connector接收用户的请求，再发给相应的Container来处理。
4、Connector：实现某一协议的连接器，如默认的有实现HTTP、HTTPS、AJP协议的。
5、Container：可以理解为处理某类型请求的容器，处理的方式一般为把处理请求的处理器包装为Valve对象，并按一定顺序放入类型为Pipeline的管道里。Container有多种子类型：Engine、Host、Context和Wrapper，这几种子类型Container依次包含，处理不同粒度的请求。另外Container里包含一些基础服务，如Loader、Manager和Realm。
6、Engine：Engine包含Host和Context，接到请求后仍给相应的Host在相应的Context里处理。
7、Host：就是我们所理解的虚拟主机。
8、Context：就是我们所部属的具体Web应用的上下文，每个请求都在是相应的上下文里处理的
9、Wrapper：Wrapper是针对每个Servlet的Container，每个Servlet都有相应的Wrapper来管理。
可以看出Server、Service、Connector、Container、Engine、Host、Context和Wrapper这些核心组件的作用范围是逐层递减，并逐层包含。
下面就是些被Container所用的基础组件：
1、Loader：是被Container用来载入各种所需的Class。
2、Manager：是被Container用来管理Session池。
3、Realm：是用来处理安全里授权与认证。
分析完核心类后，再看看Tomcat启动的过程，Tomcat启动的时序图如下所示：
从上图可以看出，Tomcat启动分为init和start两个过程，核心组件都实现了Lifecycle接口，都需实现start方法，因此在start过程中就是从Server开始逐层调用子组件的start过程。
2）基于JMX
Tomcat会为每个组件进行注册过程，通过Registry管理起来，而Registry是基于JMX来实现的，因此在看组件的init和start过程实际上就是初始化MBean和触发MBean的start方法，会大量看到形如：
Registry.getRegistry(null, null).invoke(mbeans, "init", false);
Registry.getRegistry(null, null).invoke(mbeans, "start", false);
这样的代码，这实际上就是通过JMX管理各种组件的行为和生命期。
3）事件侦听
各个组件在其生命期中会有各种各样行为，而这些行为都有触发相应的事件，Tomcat就是通过侦听这些时间达到对这些行为进行扩展的目的。在看组件的init和start过程中会看到大量如：
lifecycle.fireLifecycleEvent(AFTER_START_EVENT, null);
这样的代码，这就是对某一类型事件的触发，如果你想在其中加入自己的行为，就只用注册相应类型的事件即可。
二、一次完整请求的里里外外
前几天分析了一下Tomcat的架构和启动过程，今天开始研究它的运转机制。Tomcat最本质就是个能运行JSP/Servlet的Web服务器 ，因此最典型的应用就是用户通过浏览器访问服务器，Tomcat接收到请求后转发给Servlet，由Servlet处理完后，把结果返回给客户端。今天就专门解析一下这么一个完整的请求的内部机理。
通过DEBUG，一路跟下来，发现Tomcat处理请求的核心过程是以下几点：
1、启动的时候启动预支持协议的Endpoint，Endpoint会起专门的线程监听相应协议的请求，默认的情况下，会启动JIoEndpoint，JIoEndpoint基于Java ServerSocket接收Http的请求
2、ServerSocket接收到客户端请求的Socket后，一路包装，并一路从Host一直传递到Wrapper，再请求到相应的Servlet
下面将重点解析以上两个过程。
通过以前的分析（Tomcat源码分析一）可知道当Tomcat启动的时候会启动Connector，此时Connector会通过ProtocolHandler把Endpoint启动起来。默认情况下，Tomcat会启动两种Connector，分别是Http协议和AJP协议的，依次对应Http11Protocol和AjpProtocol，两者都是启动JIoEndpoint。下面看看JIoEndpoint的start方法：
public void start() throws Exception { // Initialize socket if not done before if (!initialized) { init(); } if (!running) { running = true; paused = false; // Create worker collection if (getExecutor() == null) { createExecutor(); } // Start acceptor threads for (int i = 0; i < acceptorThreadCount; i++) { Thread acceptorThread = new Thread(new Acceptor(), getName() + "-Acceptor-" + i); acceptorThread.setPriority(threadPriority); acceptorThread.setDaemon(getDaemon()); acceptorThread.start(); } } }
public void start() throws Exception { // Initialize socket if not done before if (!initialized) { init(); } if (!running) { running = true; paused = false; // Create worker collection if (getExecutor() == null) { createExecutor(); } // Start acceptor threads for (int i = 0; i < acceptorThreadCount; i++) { Thread acceptorThread = new Thread(new Acceptor(), getName() + "-Acceptor-" + i); acceptorThread.setPriority(threadPriority); acceptorThread.setDaemon(getDaemon()); acceptorThread.start(); } } }
以上代码很清晰地表示启动acceptorThreadCount个线程，每个线程由Acceptor代理，具体看看Acceptor的run方法：
public void run() { // Loop until we receive a shutdown command while (running) { // Loop if endpoint is paused while (paused) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { // Ignore } } // Accept the next incoming connection from the server socket try { Socket socket = serverSocketFactory.acceptSocket(serverSocket); serverSocketFactory.initSocket(socket); // Hand this socket off to an appropriate processor if (!processSocket(socket)) { // Close socket right away try { socket.close(); } catch (IOException e) { // Ignore } } }catch ( IOException x ) { if ( running ) log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), x); } catch (Throwable t) { log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), t); } // The processor will recycle itself when it finishes } }
public void run() { // Loop until we receive a shutdown command while (running) { // Loop if endpoint is paused while (paused) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { // Ignore } } // Accept the next incoming connection from the server socket try { Socket socket = serverSocketFactory.acceptSocket(serverSocket); serverSocketFactory.initSocket(socket); // Hand this socket off to an appropriate processor if (!processSocket(socket)) { // Close socket right away try { socket.close(); } catch (IOException e) { // Ignore } } }catch ( IOException x ) { if ( running ) log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), x); } catch (Throwable t) { log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), t); } // The processor will recycle itself when it finishes } }
由此可得到这么一个结论：Tomcat就是通过ServerSocket监听Socket的方式来接收客户端请求的。具体代码就无需我解析了，稍微了解Javanet的人都能看懂以上代码，Tomcat就是用最标准和最基础的Socket调用方法来处理网络请求的。找到处理请求的源头后下面要做的是事情就简单了，打好断点，在浏览器里请求一个最简单的Hello world，一路debug下去。一路跟下来，主流程的时序图如下所示：
从上图可知，以上过程可分解成以下三个最主要的核心点：
1、基于Http1.1协议对Socket的解析和包装
2、StandardEngineValve、StandardHostValve、StandardContextValve和StandardWrapperValve四种Valve的一路inoke。四种不同层次的Valve做了不同层次的处理和封装
3、基于责任链模式ApplicationFilterChain实现Filter拦截和实际Servlet的请求
以上三个核心点都是内容非常丰富的可研究点，会在以后几天逐一进行剖析。
三、可携带状态的线程池
最近想实现一个可携带状态的线程池，具体需求就是池中的线程被用来处理某种信息，而此信息可视为线程所依赖的外部状态。如果用简单的线程池来实现，线程初始化时就得赋予某些信息，使得线程无法被再次利用。在看老版Tomcat的源码时，找到了答案，其实现思路主要是利用了线程的等待和唤起，HttpProcessor的实现正好基于此思路，时序图如下所示：
初始化HttpProcessor线程时，没法赋予所需的Socket对象，因为如果在初始化阶段就赋予Socket会导致此线程没法回收用来处理其他Socket。因此，在HttpProcessor的run阶段，先把线程给wait住，具体在await方法里体现，代码如下所示：
/** * Await a newly assigned Socket from our Connector, or null * if we are supposed to shut down. */ private synchronized Socket await() {
// Wait for the Connector to provide a new Socket while (!available) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } }
// Notify the Connector that we have received this Socket Socket socket = this.socket; available = false; notifyAll();
if ((debug >= 1) && (socket != null)) log(" The incoming request has been awaited");
return (socket);
}
/** * Await a newly assigned Socket from our Connector, or null * if we are supposed to shut down. */ private synchronized Socket await() {
// Wait for the Connector to provide a new Socket while (!available) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } }
// Notify the Connector that we have received this Socket Socket socket = this.socket; available = false; notifyAll();
if ((debug >= 1) && (socket != null)) log(" The incoming request has been awaited");
return (socket);
}
当HttpConnector调用HttpProcessor.assign(socket)方法时，会给此线程赋予Socket对象，并唤起此线程，使其继续执行，assign方法的源码如下所示：
/** * Process an incoming TCP/IP connection on the specified socket. Any * exception that occurs during processing must be logged and swallowed. * NOTE: This method is called from our Connector's thread. We * must assign it to our own thread so that multiple simultaneous * requests can be handled. * * @param socket TCP socket to process */ synchronized void assign(Socket socket) {
// Wait for the Processor to get the previous Socket while (available) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } }
// Store the newly available Socket and notify our thread this.socket = socket; available = true; notifyAll();
if ((debug >= 1) && (socket != null)) log(" An incoming request is being assigned");
}
/** * Process an incoming TCP/IP connection on the specified socket. Any * exception that occurs during processing must be logged and swallowed. * NOTE: This method is called from our Connector's thread. We * must assign it to our own thread so that multiple simultaneous * requests can be handled. * * @param socket TCP socket to process */ synchronized void assign(Socket socket) {
// Wait for the Processor to get the previous Socket while (available) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } }
// Store the newly available Socket and notify our thread this.socket = socket; available = true; notifyAll();
if ((debug >= 1) && (socket != null)) log(" An incoming request is being assigned");
}
线程被唤起和赋予socket对象后，继续执行核心的process方法，HttpProcessor.run的完整源码如下所示：
/** * The background thread that listens for incoming TCP/IP connections and * hands them off to an appropriate processor. */ public void run() {
// Process requests until we receive a shutdown signal while (!stopped) {
// Wait for the next socket to be assigned Socket socket = await(); if (socket == null) continue;
// Process the request from this socket try { process(socket); } catch (Throwable t) { log("process.invoke", t); }
// Finish up this request connector.recycle(this);
}
// Tell threadStop() we have shut ourselves down successfully synchronized (threadSync) { threadSync.notifyAll(); }
}
/** * The background thread that listens for incoming TCP/IP connections and * hands them off to an appropriate processor. */ public void run() {
// Process requests until we receive a shutdown signal while (!stopped) {
// Wait for the next socket to be assigned Socket socket = await(); if (socket == null) continue;
// Process the request from this socket try { process(socket); } catch (Throwable t) { log("process.invoke", t); }
// Finish up this request connector.recycle(this);
}
// Tell threadStop() we have shut ourselves down successfully synchronized (threadSync) { threadSync.notifyAll(); }
}
四、Request和Response处理的全过程
从Tomcat源码分析（二）可知，用户的一个请求会经过n个环节的处理，最后到达开发人员写的Servlet，传给Servlet也就是HttpServletRequest和HttpServletResponse，因此可以认为这一路走下来无非就是把最原始的Socket包装成Servlet里用到的HttpServletRequest和HttpServletResponse，只不过每个环节完成的包装功能和部分不一样而已，信息流如下图所示：
其中，Request与Response的类图如下所示：
org.apache.coyote.Request和org.apache.coyote.Response是Tomcat内部使用的，不提供给开发者调用，类是final类型的。下面结合一次完整请求的时序图来看看从Socket到org.apache.catalina.connector.Request的加工过程：
由上图可见，Request的解析和加工过程不是在一个方法里搞定，而是信息流动过程中逐步解析的，不同层次的处理器解析不同层次的信息，在解析过程同时做了些判断和拦截的工作，比如当发现是要访问WEB-INF的资源，会直接返回错误给客户端等等。
