[.com原稿]在互联网技术飞速发展的今天，各种网络应用层出不穷。Tomcat作为Web应用的容器，承载着Web请求处理和响应的工作。图片来自Pexels。大部分企业的Web应用都运行在上面。Tomcat是程序员的老朋友了，那么今天就带大家去看看这位老朋友，看看它是如何处理Web请求的，以及它的内部架构，对于帮助我们理解Tomcat的使用大有裨益。在本文中，您将学习到以下内容：Web容器与TomcatTomcat连接器Tomcat容器Web容器与Tomcat要解释清楚Tomcat是做什么的，首先要从早期的Web应用说起。图1：浏览器通过HTTP服务器获取静态资源如图1所示。一开始，用户通过浏览器查看新闻等静态资源。这时候就需要将静态的HTML资源通过HTTP服务器返回给浏览器，浏览器将解析后的HTML呈现给用户。这里的web容器是用来存放HTTP服务器的，它可以处理网络请求并做出响应。随着互联网的发展，用户需求已经从静态资源转向动态资源的获取。同时浏览器在获取资源的同时也会和服务器进行交互。于是，Web容器的功能开始扩展。除了能够处理HTTP请求外，还需要HTTP服务器调用服务器程序，也就是常说的Web应用程序。图2：通过HTTP服务器调用Web应用程序为满足这一要求，Sun引入了Servlet技术，这是一种运行在服务器端的Javaapplet。由于Servlet不能独立运行，需要将其托管在一个Servlet容器中，对其进行初始化、启动等管理操作。图3：Servlet容器的介绍如图3所示，为了满足用户日益增长的需求，将Servlet作为Web应用添加到Web容器中，为用户提供动态资源。为了承载Servlet，也加入了Servlet容器，但是每个Servlet代表一个业务类，包括一些业务应用。如果都接入Web容器，用户需要遵循统一的接口，提供统一的服务响应。说白了，就是需要遵守一定的规则，才可以放到Servlet容器中，方便管理。那么这条规则就是Servlet接口。从图中可以看出，Servlet接口将单个Servlet标准化。图4：Servlet接口如图4所示，对于Servlet接口，定义了init方法用于Servlet资源的初始化，还定义了destroy方法用于Servlet资源的释放。其中，Service方法用于实现具体的业务需求。可以看到这个方法传入了两个参数ServletRequest和ServletResponse，分别代表了对用户请求信息和Servlet响应信息的封装。后面我们会介绍，SpringMVC在Tomcat中运行时也是作为一个Servlet存在的，而SpringMVC容器是由DispatcherServlet在init方法中创建的。接口中的getServletConfig方法将返回ServletConfig。ServletConfig用于封装Servlet的初始化参数。可以在web.xml中配置Servlet参数，然后通过getServletConfig方法获取参数。上面已经介绍了Servlet接口，接下来通过图5，我们将深入了解Servlet接口调用的外围类。图5：Servlet类关系图如图5所示，Servlet接口依赖于ServletConfig接口，ServletConfig接口只是用来处理Servlet配置参数，而ServletConfig接口还会关联ServletContext获取Servlet上下文信息。Servlet接口中的服务方法依赖于两个参数，ServletRequest和ServletResponse。同时有两个接口，HttpServletRequest和HttpServletResponse，会分别继承ServletRequest和ServletResponse。一般来说，Servlet作为一个接口需要一个具体的实现类来实现这个接口，所以Servlet规范提供了一个抽象类GenericServlet，它实现了Servlet。然后是继承GenericServlet的HttpServlet类，它也依赖于HttpServletRequest和HttpServletResponse来处理HTTP请求。Servlet接口定义是Servlet容器的重要组成部分，Servlet容器通过接口来管理连接的Servlet实体。接下来我们看一下Servlet容器的分类。这里，Servlet容器按照其工作模式分为3类：①独立运行的Servlet容器。在这种模式下，Servlet容器被用作Web服务器的一部分。这种模式在使用Javawebserver时也会用到，Tomcat的默认模式，如果不是基于Java的webservice，则需要使用以下两种模式。②内置Servlet容器Servlet容器由两部分组成：Web服务器插件和Java容器。Web服务器的内部地址空间需要开启一个JVM，在上面加载Java容器，运行servlet。当容器请求Servlet时，Web服务器插件会请求加载在JVM上的Servlet，通过JNI技术将请求传递给Java容器，再由Java容器将请求传递给Servlet进行处理。③外部Servlet容器Servlet容器运行在Web服务器的外部地址空间中。通过Web服务器插件在Web服务器的外部地址空间开启一个JVM加载Java容器运行Servlet。Web服务器插件和JVM使用IPC（进程间通信）机制进行通信。Web服务器通过IPC技术将请求传递给Java容器，然后Java容器将请求交给Servlet进行处理。了解了Servlet接口规范和Servlet容器后，我们就知道如果需要加载不同的动态资源（Web应用），就需要使用Servlet容器来加载对应的Servlet，那么这个加载过程是如何进行的呢？接下来我们看一下Servlet请求。和响应过程。图6：Servlet请求和响应流程如图6所示，HTTP请求和响应流程分为8个步骤：用户通过浏览器发起HTTP请求。Servlet容器收到请求后解析HTTP请求。根据解析的结果和配置信息创建一个Servlet实例。实例创建完成后，调用Servlet实例的init方法完成实例初始化。接下来就是调用Servlet中的Service方法来完成具体的业务。Service方法完成后，会将响应信息返回给Servlet容器。Servlet容器根据Servlet返回的信息创建HTTP响应并将其返回给浏览器。最后，Servlet容器调用destroy方法卸载Servlet，释放相应的资源。写到这里给大家做一个小节，web容器是用来提供web服务器的，当用户请求web容器时，会通过HTTP服务器解析HTTP请求，然后将解析后的请求交给服务小程序容器。Servlet容器负责定义Servlet接口规范和管理Servlet程序。所有的Web应用程序都会以Servlets的形式存在。每个Servlet都需要遵循Servlet接口的定义，按照Servlet处理流程响应用户请求。Tomcat就是我们展示的web容器，上面说的原理和流程都是Tomcat的功劳。简单来说，Tomcat=HTTP服务器+Servlet容器（Servlet接口规范），只要服务于Servlet接口的Servlet能够运行在Tomcat上，对外提供服务即可。Tomcat连接器上一节介绍了Tomcat的设计思想。Tomcat作为一个Web容器，实现了HTTP服务器和Servlet容器的功能，所以可以概括为两个功能：第一个是处理Socket连接，负责将网络请求解析成相应的Request和Response对象。第二个加载和管理Servlet，处理请求并返回响应。因此引入了Tomcat的两个核心组件：连接器（Connector）和容器（Container），其中连接器负责对外通信，容器负责内部Servlet的管理。图7：Tomcat的connector和container如图7所示，当浏览器有Request发给Tomcat时，connector会解析生成相应的ServletRequest，传递给container进行处理。容器处理完后，会返回连接器ServletResponse。同样，连接器会将ServletResponse解析成Response返回给浏览器。介绍完connector和container的关系，我们再重点介绍一下connector支持的三种应用层协议：HTTP/1.1协议：这是大多数web应用使用的访问协议，主要用于Tomcat单独运行时（未集成）与网络服务器）。AJP协议：用于与Web服务器（如ApacheHTTPServer）集成，实现对静态资源和集群部署的优化，目前支持AJP/1.3。HTTP/2.0协议：从Tomcat8.5和9.0开始支持下一代HTTP协议。目前最新的主流版本已经支持HTTP/2.0。上面了解了Tomcat接收网络请求的协议，下面介绍connector接收网络请求后的动作。Tomcat连接器会通过以下组件处理网络请求：①端点：作为连接器的通信端点，负责监听通信端口。它实现了Socket接收处理类，并对传输层进行了抽象。网络通信的I/O模型包括：非阻塞I/O、异步I/O或APR。应用层协议包括：HTTP、HTTPS、AJP。Endpoint机制其实是为了适应不同的IO模型和协议模型，所以它会提供三种通信实现：NioEndpoint（NIO）、AprEndpoint（APR）和Nio2Endpoint（NIO2）。②Processor：负责将接收到的网络请求构造成Request和Response对象，通过Adapter提交给容器处理。如果说Endpoint是用来实现TCP/IP协议的，那么Processor就是用来实现HTTP协议的，Processor可以理解为应用层的抽象。Processor是单线程的，Tomcat在同一个连接中复用Processor。Tomcat根据不同的协议提供了三个实现类：Http11Processor(HTTP/1.1)AjpProcessor(AJP)StreamProcessor(HTTP/2.0)同时，它还提供了两个实现：UpgradeProcessorInternal，用于处理内部支持的升级协议（如作为HTTP/2.0和WebSocket）。UpgradeProcessorExternal，用于处理外部扩展的升级协议支持。③ProtocolHandler：是Endpoint和Processor的抽象。由于Endpoint负责I/O模型，而Processor负责应用层协议，所以会有两者结合的方式一起工作，比如NIO+HTTP或者NIO2+AJP。所以两者是通过ProtocolHandler进行封装的，封装也是两者结合所带来的变化。例如：Http11NioProtocol和AjpNioProtocol。如图8所示，Tomcat设计了一个抽象基类来封装这部分，抽象基类AbstractProtocol实现了ProtocolHandler接口。图8：ProtocolHandler封装了Endpoint和Processor每个应用层协议都有自己的抽象基类，比如AbstractAjpProtocol和AbstractHttp11Protocol。④Adapter：负责请求的转换，将Tomcat的Request对象转换为ServletRequest对象。由于Tomcat可以加载任何符合Servlet接口规范的Servlet实例，因此需要使用ServletRequest对象与其进行通信，因此需要使用该组件来完成对请求对象的适配。前面介绍了Tomcat连接器的几个组件，这里总结一下连接器处理请求的过程，如图9所示。图9：Tomcat连接器用户通过浏览器向Tomcat发起请求，连接器收到通过Endpoint请求，通过I/O模型处理，然后将结果传递给Processor。Processor进行应用层协议处理后将请求传递给Adapter，Adapter将适配后的ServletRequest发送给容器进行处理。Tomcat容器上面我们提到了Tomcat的connector，它承载了处理网络IO请求和协议处理的工作，将请求适配发送给容器。接下来我们看一下Tomcat容器需要完成的工作。首先我们看一下容器的组成，如图10所示：图10：Tomcat容器Tomcat容器会包含一个Engine容器，而一个Engine容器可以包含多个Host容器，每个Host容器可以包含多个Context容器，也就是说Host可以包含多个应用，每个应用对应一个Context容器。作为一个应用程序，每个Context容器可以包含多个Wrapper容器：每个Wrapper容器包含一个Servlet容器，这意味着Tomcat允许一个应用程序有多个Servlet实现。介绍完Tomcat的容器组成，我们知道它由Engine、Host、Context和Wrapper组成，知道它们之间的包含关系。接下来，我们来看看每个组件需要完成的工作。Tomcat的四个容器结构相同，包括：Pipeline：用于处理request中的信息，每个Pipeline包含多个ValveValve，每个Valve都有相同的方法invoke(Requestrequest,Responseresponse)，在这个方法中，可以处理请求中的信息。BaseValve：基础Valve，与Piple中Value的方法相同：invoke(Requestrequest,Responseresponse)，主要作用是连接父子容器，将父容器的请求传递给子容器.假设Servlet是处理最终请求的实体，那么请求可以想象成一条从Engine到Host再到Context，最后到Wrapper的传输链。这条链是通过Pipeline连接起来的，链中的处理节点就是valveValue，每条链之间的joint就是基本的valveBaseValue。如图11所示，connector收到浏览器的请求后，将请求转发给容器中的Engine。图11：Tomcat容器之间的信息传递Engine通过Pipeline传递信息，其中Value是valve，可以通过invoke方法处理请求信息。信息在Pipeline中通过valve传递后，会通过基础valve即BaseValue传递给下一个容器组件Host，Host再通过Context逐层传递信息给Wrapper中的Wrapper同样的方式。①EngineTomcat中的connector收到消息并解析后，将消息传递给Engine容器。用户可以在Engine容器的Pipeline中添加各种自定义的Valves，Engine容器会一一调用Pipeline中的Valves。Engine容器的BaseValve是StandardEngineValve。这个Valve会读取Request中的Host信息，然后将请求路由到对应的Host容器中。②HostHost是Engine的一个子容器，每个Host容器都是对应不同域名的虚拟主机。从1.1开始，HTTP协议支持在请求头中增加一个Host字段来表示请求的域名。Host就是通过解析这个域名来判断并向不同的Host发送请求。DNS域名解析时，不同的域名可以解析到同一个IP或主机。Engine容器的BaseValve会读取Request中的Host，然后调用Host容器对应的Pipeline来处理消息。假设Tomcat支持三个域名：http://www.a.comhttp://www.b.comhttp://www.c.com在Tomcat配置文件服务器的Engine标签下添加多个域名。xml主机选项卡。如图12所示，在配置中的Host节点中，name代表域名，appbase代表虚拟主机的目录。图12：主机配置当我们在浏览器中输入http://www.a.com时，Tomcat通过读取server.xml中的配置信息找到www.a.com对应的虚拟主机Host，然后使用搜索来处理请求的主机。③Context表示运行在虚拟主机上的Web应用。每个Web应用都是基于一个WAR文件，或者说是解压后的WAR文件对应的目录（这里称为应用目录）。Context是Host的子容器，每个Host可以定义任意数量的Context元素。④Wrapper是最小的容器，每个Wrapper对应一个Servlet实例。当请求转发给Wrapper容器时，Wrapper容器调用Pipeline方法后，会使用特定的类加载器加载Servlet类，实例化并初始化Servlet，然后将请求传递给Servlet的service方法进行处理.上面已经为大家一一介绍了Tomcat容器的四个组成部分，这里通过一个例子带大家完成请求容器的过程。图十三：Tomcat容器的执行流程如图十三：假设浏览器向Tomcat连接器发送请求，向www.a.com网站发送GET请求，请求内容为/AppA/ServletA。连接器根据指定的协议和IO方法处理请求的Socket报文，将Socket解析为对应的Request实体，传递给容器中的Engine。connector向Engine容器发送请求，Engine容器存储请求域名与Host容器的映射关系。找到“www.a.com”域名对应的Host容器，向对应的Host发送请求。Host容器继续解析请求中的路径。如果配置了路径和应用的关系，比如“/AppA”对应的Context容器，Host容器会安装配置发送请求到对应应用的Context容器。Host容器解析路径后，将应用交给Context容器，不同的请求可以通过路径映射到不同的Servlet容器。比如图中的“/ServletA”对应Wrapper容器，Context容器将请求传递给Wrapper容器。然后Wrapper容器会加载对应的ServletA实现类，调用servlet实现类中的逻辑处理Request，并将处理结果写入Response。小结本文主要围绕Tomcat的架构，向大家介绍一下。首先，通过Web应用提供的静态和动态资源引入ServletWeb应用。因此，HTTP服务器和Servlet容器的功能构成了Web应用，这就是Tomcat的实现原理。然后介绍了Tomcat的两个重要组件：连接器和容器。连接器处理IO模型和传输协议并请求适配。容器包括Engine、Host、Context、Wrapper，并描述了它们的父子关系和各个组件的功能。举例说明容器组件之间请求传递的过程。作者：崔浩简介：十六年开发架构经验。曾在惠普武汉交付中心担任技术专家、需求分析师、项目经理，后在一家初创公司担任技术/产品经理。善于学习，乐于分享。目前专注于技术架构和研发管理。编辑：陶佳龙征稿：如有意向投稿或寻求报道，请联系editor@51cto.com【原创稿件请注明原作者和出处为.com，合作网站转载】
