深入Tomcat 架构及启动过程「含部署」

这个题目命的其实是很大的，写的时候还是很忐忑的，但我尽可能把这个过程描述清楚。因为这是读过源码以后写的总结，在写的过程中可能会忽略一些前提条件，如果有哪些比较突兀就出现，或不好理解的地方可以给我提 Issue，我会尽快补充修订相关内容。

很多东西在时序图中体现的已经非常清楚了，没有必要再一步一步的作介绍，所以本文以图为主，然后对部分内容加以简单解释。

绘制图形使用的工具是 PlantUML + Visual Studio Code + PlantUML Extension

图形 PlantUML 源文件：

• tomcat-architecture.pu
• tomcat-init.pu
• tomcat-start.pu
• tomcat-context-start.pu
• tomcat-background-thread.pu

本文对 Tomcat 的介绍以 Tomcat-9.0.0.M22 为标准。

Tomcat-9.0.0.M22 是 Tomcat 目前最新的版本，但尚未发布，它实现了 Servlet4.0 及 JSP2.3 并提供了很多新特性，需要 1.8 及以上的 JDK 支持等等，详情请查阅 Tomcat-9.0-doc

Tomcat-9.0-dochttps://tomcat.apache.org/tomcat-9.0-doc/index.html

Overview

1. Bootstrap 作为 Tomcat 对外界的启动类,在 $CATALINA_BASE/bin 目录下，它通过反射创建 Catalina 的实例并对其进行初始化及启动。
2. Catalina 解析 $CATALINA_BASE/conf/server.xml 文件并创建 StandardServer、StandardService、StandardEngine、StandardHost 等
3. StandardServer 代表的是整个 Servlet 容器，他包含一个或多个 StandardService
4. StandardService 包含一个或多个 Connector，和一个 Engine，Connector 和 Engine 都是在解析 conf/server.xml 文件时创建的，Engine 在 Tomcat 的标准实现是 StandardEngine
5. MapperListener 实现了 LifecycleListener 和 ContainerListener 接口用于监听容器事件和生命周期事件。该监听器实例监听所有的容器，包括 StandardEngine、StandardHost、StandardContext、StandardWrapper，当容器有变动时，注册容器到 Mapper。
6. Mapper 维护了 URL 到容器的映射关系。当请求到来时会根据 Mapper 中的映射信息决定将请求映射到哪一个 Host、Context、Wrapper。
7. Http11NioProtocol 用于处理 HTTP/1.1 的请求
8. NioEndpoint 是连接的端点，在请求处理流程中该类是核心类，会重点介绍。
9. CoyoteAdapter 用于将请求从 Connctor 交给 Container 处理。使 Connctor 和 Container 解耦。
10. StandardEngine 代表的是 Servlet 引擎，用于处理 Connector 接受的 Request。包含一个或多个 Host(虚拟主机), Host 的标准实现是 StandardHost。
11. StandardHost 代表的是虚拟主机，用于部署该虚拟主机上的应用程序。通常包含多个 Context (Context 在 Tomcat 中代表应用程序)。Context 在 Tomcat 中的标准实现是 StandardContext。
12. StandardContext 代表一个独立的应用程序，通常包含多个 Wrapper，一个 Wrapper 容器封装了一个 Servlet，Wrapper的标准实现是 StandardWrapper。
13. StandardPipeline 组件代表一个流水线，与 Valve(阀)结合，用于处理请求。 StandardPipeline 中含有多个 Valve， 当需要处理请求时，会逐一调用 Valve 的 invoke 方法对 Request 和 Response 进行处理。特别的，其中有一个特殊的 Valve 叫 basicValve,每一个标准容器都有一个指定的 BasicValve，他们做的是最核心的工作。

• StandardEngine 的是 StandardEngineValve，他用来将 Request 映射到指定的 Host;
• StandardHost 的是 StandardHostValve, 他用来将 Request 映射到指定的 Context;
• StandardContext 的是 StandardContextValve，它用来将 Request 映射到指定的 Wrapper;
• StandardWrapper 的是 StandardWrapperValve，他用来加载 Rquest 所指定的 Servlet,并调用 Servlet 的 Service 方法。

Tomcat init

• 当通过 ./startup.sh 脚本或直接通过 java 命令来启动 Bootstrap 时，Tomcat 的启动过程就正式开始了，启动的入口点就是 Bootstrap 类的 main 方法。
• 启动的过程分为两步，分别是 init 和 start，本节主要介绍 init;
• 初始化类加载器。[关于 Tomcat 类加载机制，可以参考我之前写的一片文章：谈谈Java类加载机制]

1. 通过从 CatalinaProperties 类中获取 common.loader 等属性，获得类加载器的扫描仓库。CatalinaProperties 类在的静态块中调用了 loadProperties() 方法，从 conf/catalina.properties 文件中加载了属性.(即在类创建的时候属性就已经加载好了)。
2. 通过 ClassLoaderFactory 创建 URLClassLoader 的实例

• 通过反射创建 Catalina 的实例并设置 parentClassLoader
• setAwait(true)。设置 Catalina 的 await 属性为 true。在 Start 阶段尾部，若该属性为 true，Tomcat 会在 main 线程中监听 SHUTDOWN 命令，默认端口是 8005.当收到该命令后执行 Catalina 的 stop() 方法关闭 Tomcat 服务器。
• createStartDigester()。Catalina 的该方法用于创建一个 Digester 实例，并添加解析 conf/server.xml 的 RuleSet。Digester 原本是 Apache 的一个开源项目，专门解析 XML 文件的，但我看 Tomcat-9.0.0.M22 中直接将这些类整合到 Tomcat 内部了，而不是引入 jar 文件。Digester 工具的原理不在本文的介绍范围，有兴趣的话可以参考 The Digester Component – Apache 或 《How Tomcat works》- Digester [推荐] 一章
• parse() 方法就是 Digester 处理 conf/server.xml 创建各个组件的过程。值的一提的是这些组件都是使用反射的方式来创建的。特别的，在创建 Digester 的时候，添加了一些特别的 rule Set，用于创建一些十分核心的组件，这些组件在 conf/server.xml 中没有但是其作用都比较大，这里做下简单介绍，当 Start 时用到了再详细说明：

1. EngineConfig。LifecycleListener 的实现类,触发 Engine 的生命周期事件后调用，这个监听器没有特别大的作用，就是打印一下日志
2. HostConfig。LifecycleListener 的实现类，触发 Host 的生命周期事件后调用。这个监听器的作用就是部署应用程序，这包括 conf/// 目录下所有的 Context xml 文件 和 webapps 目录下的应用程序，不管是 war 文件还是已解压的目录。 另外后台进程对应用程序的热部署也是由该监听器负责的。
3. ContextConfig。LifecycleListener 的实现类，触发 Context 的生命周期事件时调用。这个监听器的作用是配置应用程序，它会读取并合并 conf/web.xml 和 应用程序的 web.xml，分析 /WEB-INF/classes/ 和 /WEB-INF/lib/*.jar中的 Class 文件的注解，将其中所有的 Servlet、ServletMapping、Filter、FilterMapping、Listener 都配置到 StandardContext 中，以备后期使用。当然了 web.xml 中还有一些其他的应用程序参数，最后都会一并配置到 StandardContext 中。

• reconfigureStartStopExecutor() 用于重新配置启动和停止子容器的 Executor。默认是 1 个线程。我们可以配置 conf/server.xml 中 Engine 的 startStopThreads，来指定用于启动和停止子容器的线程数量，如果配置 0 的话会使用 Runtime.getRuntime().availableProcessors() 作为线程数，若配置为负数的话会使用 Runtime.getRuntime().availableProcessors() + 配置值，若和小与 1 的话，使用 1 作为线程数。当线程数是 1 时，使用 InlineExecutorService 它直接使用当前线程来执行启动停止操作，否则使用 ThreadPoolExecutor 来执行，其最大线程数为我们配置的值。
• 需要注意的是 Host 的 init 操作是在 Start 阶段来做的， StardardHost 创建好后其 state 属性的默认值是 LifecycleState.NEW，所以在其调用 startInternal() 之前会进行一次初始化。

（编辑：湘西站长网）

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