tomcat架构分析(容器类 Container)
2016-03-01 09:39
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出处：http://gearever.iteye.com
Tomcat提供了engine，host，context及wrapper四种容器。在总体结构中已经阐述了他们之间的包含关系。这四种容器继承了一个容器基类，因此可以定制化。当然，tomcat也提供了标准实现。
Engine：org.apache.catalina.core.StandardEngine
Host： org.apache.catalina.core.StandardHost
Context：org.apache.catalina.core.StandardContext
Wrapper：org.apache.catalina.core.StandardWrapper
所谓容器，就是说它承载了若干逻辑单元及运行时数据。好比，整个酒店是一个容器，它包含了各个楼层等设施；每个楼层也是容器，它包含了各个房间；每个房间也是容器，它包含了各种家电等等。
首先来看一下容器类的类结构。
基类ContainerBase
ContainerBase是个abstract基类。其类路径为:
Java代码
org.apache.catalina.core.ContainerBase
这里只列出一些比较核心功能的组件及方法。需要注意的是，类中的方法及属性很多，限于篇幅不全部列出来了。
Enigne
Engine是最顶层的容器，它是host容器的组合。其标准实现类为：
Java代码
org.apache.catalina.core.StandardEngine
看一下StandardEngine的主要逻辑单元概念图。
从图中可以看出，engine有四大组件：
Cluster: 实现tomcat集群，例如session共享等功能，通过配置server.xml可以实现，对其包含的所有host里的应用有效，该模块是可选的。其实现方式是基于pipeline+valve模式的，有时间会专门整理一个pipeline+valve模式应用系列；
Realm：实现用户权限管理模块，例如用户登录，访问控制等，通过通过配置server.xml可以实现，对其包含的所有host里的应用有效，该模块是可选的；
Pipeline：这里简单介绍下，之后会有专门文档说明。每个容器对象都有一个pipeline，它不是通过server.xml配置产生的，是必须有的。它就是容器对象实现逻辑操作的骨架，在pipeline上配置不同的valve，当需要调用此容器实现逻辑时，就会按照顺序将此pipeline上的所有valve调用一遍，这里可以参考责任链模式；
Valve：实现具体业务逻辑单元。可以定制化valve（实现特定接口），然后配置在server.xml里。对其包含的所有host里的应用有效。定制化的valve是可选的，但是每个容器有一个缺省的valve，例如engine的StandardEngineValve，是在StandardEngine里自带的，它主要实现了对其子host对象的StandardHostValve的调用，以此类推。
配置的例子有：
Xml代码
<Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">
<Valve className="MyValve0"/>
<Valve className="MyValve1"/>
<Valve className="MyValve2"/>
……
<Host name="localhost" appBase="webapps">
</Host>
</Engine>
需要注意的是,运行环境中，pipeline上的valve数组按照配置的顺序加载，但是无论有无配置定制化的valve或有多少定制化的valve，每个容器缺省的valve，例如engine的StandardEngineValve，都会在数组中最后一个。
Host
Host是engine的子容器，它是context容器的集合。其标准实现类为：
Java代码
org.apache.catalina.core.StandardHost
StandardHost的核心模块与StandardEngine差不多。只是作用域不一样，它的模块只对其包含的子context有效。除此，还有一些特殊的逻辑，例如context的部署。Context的部署还是比较多的，主要分为：
War部署
文件夹部署
配置部署等
有时间单独再说吧。照例贴个核心模块概念图。
Context
Context是host的子容器，它是wrapper容器的集合。其标准实现类为：
Java代码
org.apache.catalina.core.StandardContext
应该说StandardContext是tomcat中最大的一个类。它封装的是每个web app。
看一下StandardContext的主要逻辑单元概念图。
Pipeline,valve,realm与上面容器一样，只是作用域不一样，不多说了。
Manager: 它主要是应用的session管理模块。其主要功能是session的创建，session的维护，session的持久化(persistence)，以及跨context的session的管理等。Manager模块可以定制化，tomcat也给出了一个标准实现;
Java代码
org.apache.catalina.session.StandardManager
manager模块是必须要有的，可以在server.xml中配置，如果没有配置的话，会在程序里生成一个manager对象。
Resources: 它是每个web app对应的部署结构的封装，比如，有的app是tomcat的webapps目录下的某个子目录或是在context节点配置的其他目录，或者是war文件部署的结构等。它对于每个web app是必须的。
Loader：它是对每个web app的自有的classloader的封装。具体内容涉及到tomcat的classloader体系，会在一篇文档中单独说明。Tomcat正是有一套完整的classloader体系，才能保证每个web app或是独立运营，或是共享某些对象等等。它对于每个web app是必须的。
Mapper：它封装了请求资源URI与每个相对应的处理wrapper容器的映射关系。
以某个web app的自有的web.xml配置为例；
Xml代码
<servlet>
<servlet-name>httpserver</servlet-name>
<servlet-class>com.gearever.servlet.TestServlet</servlet-class>
</servlet>
<servlet-mapping>
<servlet-name>httpserver</servlet-name>
<url-pattern>/*.do</url-pattern>
</servlet-mapping>
对于mapper对象，可以抽象的理解成一个map结构，其key是某个访问资源，例如/*.do，那么其value就是封装了处理这个资源TestServlet的某个wrapper对象。当访问/*.do资源时，TestServlet就会在mapper对象中定位到。这里需要特别说明的是，通过这个mapper对象定位特定的wrapper对象的方式，只有一种情况，那就是在servlet或jsp中通过forward方式访问资源时用到。例如，
Java代码
request.getRequestDispatcher(url).forward(request, response)
关于mapper机制会在一篇文档中专门说明，这里简单介绍一下，方便理解。如图所示。
Mapper对象在tomcat中存在于两个地方（注意，不是说只有两个mapper对象存在），其一，是每个context容器对象中，它只记录了此context内部的访问资源与相对应的wrapper子容器的映射；其二，是connector模块中，这是tomcat全局的变量，它记录了一个完整的映射对应关系，即根据访问的完整URL如何定位到哪个host下的哪个context的哪个wrapper容器。
这样，通过上面说的forward方式访问资源会用到第一种mapper，除此之外，其他的任何方式，都是通过第二种方式的mapper定位到wrapper来处理的。也就是说，forward是服务器内部的重定向，不需要经过网络接口，因此只需要通过内存中的处理就能完成。这也就是常说的forward与sendRedirect方式重定向区别的根本所在。
看一下request.getRequestDispatcher(url) 方法的源码。
Java代码
public RequestDispatcher getRequestDispatcher(String path) {
// Validate the path argument
if (path == null)
return (null);
if (!path.startsWith("/"))
throw new IllegalArgumentException
(sm.getString
("applicationContext.requestDispatcher.iae", path));
// Get query string
String queryString = null;
int pos = path.indexOf('?');
if (pos >= 0) {
queryString = path.substring(pos + 1);
path = path.substring(0, pos);
}
path = normalize(path);
if (path == null)
return (null);
pos = path.length();
// Use the thread local URI and mapping data
DispatchData dd = dispatchData.get();
if (dd == null) {
dd = new DispatchData();
dispatchData.set(dd);
}
MessageBytes uriMB = dd.uriMB;
uriMB.recycle();
// Use the thread local mapping data
MappingData mappingData = dd.mappingData;
// Map the URI
CharChunk uriCC = uriMB.getCharChunk();
try {
uriCC.append(context.getPath(), 0, context.getPath().length());
/*
* Ignore any trailing path params (separated by ';') for mapping
* purposes
*/
int semicolon = path.indexOf(';');
if (pos >= 0 && semicolon > pos) {
semicolon = -1;
}
uriCC.append(path, 0, semicolon > 0 ? semicolon : pos);
<span style="color: #ff0000;"> context.getMapper().map(uriMB, mappingData); </span>
if (mappingData.wrapper == null) {
return (null);
}
/*
* Append any trailing path params (separated by ';') that were
* ignored for mapping purposes, so that they're reflected in the
* RequestDispatcher's requestURI
*/
if (semicolon > 0) {
uriCC.append(path, semicolon, pos - semicolon);
}
} catch (Exception e) {
// Should never happen
log(sm.getString("applicationContext.mapping.error"), e);
return (null);
}
<span style="color: #ff0000;">Wrapper wrapper = (Wrapper) mappingData.wrapper; </span>
String wrapperPath = mappingData.wrapperPath.toString();
String pathInfo = mappingData.pathInfo.toString();
mappingData.recycle();
// Construct a RequestDispatcher to process this request
return new ApplicationDispatcher
(<span style="color: #ff0000;">wrapper</span>, uriCC.toString(), wrapperPath, pathInfo,
queryString, null);
}
红色部分标记了从context的mapper对象中定位wrapper子容器，然后封装在一个dispatcher对象内并返回。通过上面的阐述，也说明了为什么forward方法不能跨context访问资源了。
Wrapper
Wrapper是context的子容器，它封装的处理资源的每个具体的servlet。其标准实现类为：
Java代码
org.apache.catalina.core.StandardWrapper
应该说StandardWrapper是tomcat中比较重要的一个类。初认识它时，比较容易混淆。
先看一下StandardWrapper的主要逻辑单元概念图。
Pipeline,valve与上面容器一样，只是作用域不一样，不多说了。
主要说说servlet对象与servlet stack对象。这两个对象在wrapper容器中只存在其中之一，也就是说只有其中一个不为空。当以servlet对象存在时，说明此servlet是支持多线程并发访问的，也就是说不存在线程同步的过程，此wrapper容器中只包含一个servlet对象（这是我们常用的模式）；当以servlet stack对象存在时，说明servlet是不支持多线程并发访问的，每个servlet对象任一时刻只有一个线程可以调用，这样servlet stack实现的就是个简易的线程池，此wrapper容器中只包含一组servlet对象，它的基本原型是worker
thread模式实现的。
那么，怎么来决定是以servlet对象方式存储还是servlet stack方式存储呢？其实，只要在开发servlet类时，实现一个SingleThreadModel接口即可。
如果需要线程同步的servlet类，例如：
Java代码
public class LoginServlet extends HttpServlet implements javax.servlet.SingleThreadModel{ …… }
但是值得注意的是，这种同步机制只是从servlet规范的角度来说提供的一种功能，在实际应用中并不能完全解决线程安全问题，例如如果servlet中有static数据访问等，因此如果对线程安全又比较严格要求的，最好还是用一些其他的自定义的解决方案。
Wrapper的基本功能已经说了。那么再说一个wrapper比较重要的概念。严格的说，并不是每一个访问资源对应一个wrapper对象。而是每一种访问资源对应一个wrapper对象。其大致可分为三种：
处理静态资源的一个wrapper：例如html，jpg等静态资源的wrapper，它包含了一个tomcat的实现处理静态资源的缺省servlet：
Java代码
org.apache.catalina.servlets.DefaultServlet
处理jsp的一个wrapper：例如访问的所有jsp文件，它包含了一个tomcat的实现处理jsp的缺省servlet:
Java代码
org.apache.jasper.servlet.JspServlet
它主要实现了对jsp的编译等操作
处理servlet的若干wrapper：它包含了自定义的servlet对象，就是在web.xml中配置的servlet。
需要注意的是，前两种wrapper分别是一个，主要是其对应的是DefaultServlet及JspServlet。这两个servlet是在tomcat的全局conf目录下的web.xml中配置的，当app启动时，加载到内存中。
Xml代码
<servlet>
<servlet-name>default</servlet-name>
<servlet-class>org.apache.catalina.servlets.DefaultServlet</servlet-class>
<init-param>
<param-name>debug</param-name>
<param-value>0</param-value>
</init-param>
<init-param>
<param-name>listings</param-name>
<param-value>false</param-value>
</init-param>
<load-on-startup>1</load-on-startup>
</servlet>
<servlet>
<servlet-name>jsp</servlet-name>
<servlet-class>org.apache.jasper.servlet.JspServlet</servlet-class>
<init-param>
<param-name>fork</param-name>
<param-value>false</param-value>
</init-param>
<init-param>
<param-name>xpoweredBy</param-name>
<param-value>false</param-value>
</init-param>
<load-on-startup>3</load-on-startup>
</servlet>
至此，阐述了tomcat的四大容器结构。 有时间接着探讨tomcat如何将这四大容器串起来运作的。
Tomcat提供了engine，host，context及wrapper四种容器。在总体结构中已经阐述了他们之间的包含关系。这四种容器继承了一个容器基类，因此可以定制化。当然，tomcat也提供了标准实现。
Engine：org.apache.catalina.core.StandardEngine
Host： org.apache.catalina.core.StandardHost
Context：org.apache.catalina.core.StandardContext
Wrapper：org.apache.catalina.core.StandardWrapper
所谓容器，就是说它承载了若干逻辑单元及运行时数据。好比，整个酒店是一个容器，它包含了各个楼层等设施；每个楼层也是容器，它包含了各个房间；每个房间也是容器，它包含了各种家电等等。
首先来看一下容器类的类结构。
基类ContainerBase
ContainerBase是个abstract基类。其类路径为:
Java代码
org.apache.catalina.core.ContainerBase
这里只列出一些比较核心功能的组件及方法。需要注意的是，类中的方法及属性很多，限于篇幅不全部列出来了。
Enigne
Engine是最顶层的容器，它是host容器的组合。其标准实现类为：
Java代码
org.apache.catalina.core.StandardEngine
看一下StandardEngine的主要逻辑单元概念图。
从图中可以看出，engine有四大组件：
Cluster: 实现tomcat集群，例如session共享等功能，通过配置server.xml可以实现，对其包含的所有host里的应用有效，该模块是可选的。其实现方式是基于pipeline+valve模式的，有时间会专门整理一个pipeline+valve模式应用系列；
Realm：实现用户权限管理模块，例如用户登录，访问控制等，通过通过配置server.xml可以实现，对其包含的所有host里的应用有效，该模块是可选的；
Pipeline：这里简单介绍下，之后会有专门文档说明。每个容器对象都有一个pipeline，它不是通过server.xml配置产生的，是必须有的。它就是容器对象实现逻辑操作的骨架，在pipeline上配置不同的valve，当需要调用此容器实现逻辑时，就会按照顺序将此pipeline上的所有valve调用一遍，这里可以参考责任链模式；
Valve：实现具体业务逻辑单元。可以定制化valve（实现特定接口），然后配置在server.xml里。对其包含的所有host里的应用有效。定制化的valve是可选的，但是每个容器有一个缺省的valve，例如engine的StandardEngineValve，是在StandardEngine里自带的，它主要实现了对其子host对象的StandardHostValve的调用，以此类推。
配置的例子有：
Xml代码
<Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">
<Valve className="MyValve0"/>
<Valve className="MyValve1"/>
<Valve className="MyValve2"/>
……
<Host name="localhost" appBase="webapps">
</Host>
</Engine>
需要注意的是,运行环境中，pipeline上的valve数组按照配置的顺序加载，但是无论有无配置定制化的valve或有多少定制化的valve，每个容器缺省的valve，例如engine的StandardEngineValve，都会在数组中最后一个。
Host
Host是engine的子容器，它是context容器的集合。其标准实现类为：
Java代码
org.apache.catalina.core.StandardHost
StandardHost的核心模块与StandardEngine差不多。只是作用域不一样，它的模块只对其包含的子context有效。除此，还有一些特殊的逻辑，例如context的部署。Context的部署还是比较多的，主要分为：
War部署
文件夹部署
配置部署等
有时间单独再说吧。照例贴个核心模块概念图。
Context
Context是host的子容器，它是wrapper容器的集合。其标准实现类为：
Java代码
org.apache.catalina.core.StandardContext
应该说StandardContext是tomcat中最大的一个类。它封装的是每个web app。
看一下StandardContext的主要逻辑单元概念图。
Pipeline,valve,realm与上面容器一样，只是作用域不一样，不多说了。
Manager: 它主要是应用的session管理模块。其主要功能是session的创建，session的维护，session的持久化(persistence)，以及跨context的session的管理等。Manager模块可以定制化，tomcat也给出了一个标准实现;
Java代码
org.apache.catalina.session.StandardManager
manager模块是必须要有的，可以在server.xml中配置，如果没有配置的话，会在程序里生成一个manager对象。
Resources: 它是每个web app对应的部署结构的封装，比如，有的app是tomcat的webapps目录下的某个子目录或是在context节点配置的其他目录，或者是war文件部署的结构等。它对于每个web app是必须的。
Loader：它是对每个web app的自有的classloader的封装。具体内容涉及到tomcat的classloader体系，会在一篇文档中单独说明。Tomcat正是有一套完整的classloader体系，才能保证每个web app或是独立运营，或是共享某些对象等等。它对于每个web app是必须的。
Mapper：它封装了请求资源URI与每个相对应的处理wrapper容器的映射关系。
以某个web app的自有的web.xml配置为例；
Xml代码
<servlet>
<servlet-name>httpserver</servlet-name>
<servlet-class>com.gearever.servlet.TestServlet</servlet-class>
</servlet>
<servlet-mapping>
<servlet-name>httpserver</servlet-name>
<url-pattern>/*.do</url-pattern>
</servlet-mapping>
对于mapper对象，可以抽象的理解成一个map结构，其key是某个访问资源，例如/*.do，那么其value就是封装了处理这个资源TestServlet的某个wrapper对象。当访问/*.do资源时，TestServlet就会在mapper对象中定位到。这里需要特别说明的是，通过这个mapper对象定位特定的wrapper对象的方式，只有一种情况，那就是在servlet或jsp中通过forward方式访问资源时用到。例如，
Java代码
request.getRequestDispatcher(url).forward(request, response)
关于mapper机制会在一篇文档中专门说明，这里简单介绍一下，方便理解。如图所示。
Mapper对象在tomcat中存在于两个地方（注意，不是说只有两个mapper对象存在），其一，是每个context容器对象中，它只记录了此context内部的访问资源与相对应的wrapper子容器的映射；其二，是connector模块中，这是tomcat全局的变量，它记录了一个完整的映射对应关系，即根据访问的完整URL如何定位到哪个host下的哪个context的哪个wrapper容器。
这样，通过上面说的forward方式访问资源会用到第一种mapper，除此之外，其他的任何方式，都是通过第二种方式的mapper定位到wrapper来处理的。也就是说，forward是服务器内部的重定向，不需要经过网络接口，因此只需要通过内存中的处理就能完成。这也就是常说的forward与sendRedirect方式重定向区别的根本所在。
看一下request.getRequestDispatcher(url) 方法的源码。
Java代码
public RequestDispatcher getRequestDispatcher(String path) {
// Validate the path argument
if (path == null)
return (null);
if (!path.startsWith("/"))
throw new IllegalArgumentException
(sm.getString
("applicationContext.requestDispatcher.iae", path));
// Get query string
String queryString = null;
int pos = path.indexOf('?');
if (pos >= 0) {
queryString = path.substring(pos + 1);
path = path.substring(0, pos);
}
path = normalize(path);
if (path == null)
return (null);
pos = path.length();
// Use the thread local URI and mapping data
DispatchData dd = dispatchData.get();
if (dd == null) {
dd = new DispatchData();
dispatchData.set(dd);
}
MessageBytes uriMB = dd.uriMB;
uriMB.recycle();
// Use the thread local mapping data
MappingData mappingData = dd.mappingData;
// Map the URI
CharChunk uriCC = uriMB.getCharChunk();
try {
uriCC.append(context.getPath(), 0, context.getPath().length());
/*
* Ignore any trailing path params (separated by ';') for mapping
* purposes
*/
int semicolon = path.indexOf(';');
if (pos >= 0 && semicolon > pos) {
semicolon = -1;
}
uriCC.append(path, 0, semicolon > 0 ? semicolon : pos);
<span style="color: #ff0000;"> context.getMapper().map(uriMB, mappingData); </span>
if (mappingData.wrapper == null) {
return (null);
}
/*
* Append any trailing path params (separated by ';') that were
* ignored for mapping purposes, so that they're reflected in the
* RequestDispatcher's requestURI
*/
if (semicolon > 0) {
uriCC.append(path, semicolon, pos - semicolon);
}
} catch (Exception e) {
// Should never happen
log(sm.getString("applicationContext.mapping.error"), e);
return (null);
}
<span style="color: #ff0000;">Wrapper wrapper = (Wrapper) mappingData.wrapper; </span>
String wrapperPath = mappingData.wrapperPath.toString();
String pathInfo = mappingData.pathInfo.toString();
mappingData.recycle();
// Construct a RequestDispatcher to process this request
return new ApplicationDispatcher
(<span style="color: #ff0000;">wrapper</span>, uriCC.toString(), wrapperPath, pathInfo,
queryString, null);
}
红色部分标记了从context的mapper对象中定位wrapper子容器，然后封装在一个dispatcher对象内并返回。通过上面的阐述，也说明了为什么forward方法不能跨context访问资源了。
Wrapper
Wrapper是context的子容器，它封装的处理资源的每个具体的servlet。其标准实现类为：
Java代码
org.apache.catalina.core.StandardWrapper
应该说StandardWrapper是tomcat中比较重要的一个类。初认识它时，比较容易混淆。
先看一下StandardWrapper的主要逻辑单元概念图。
Pipeline,valve与上面容器一样，只是作用域不一样，不多说了。
主要说说servlet对象与servlet stack对象。这两个对象在wrapper容器中只存在其中之一，也就是说只有其中一个不为空。当以servlet对象存在时，说明此servlet是支持多线程并发访问的，也就是说不存在线程同步的过程，此wrapper容器中只包含一个servlet对象（这是我们常用的模式）；当以servlet stack对象存在时，说明servlet是不支持多线程并发访问的，每个servlet对象任一时刻只有一个线程可以调用，这样servlet stack实现的就是个简易的线程池，此wrapper容器中只包含一组servlet对象，它的基本原型是worker
thread模式实现的。
那么，怎么来决定是以servlet对象方式存储还是servlet stack方式存储呢？其实，只要在开发servlet类时，实现一个SingleThreadModel接口即可。
如果需要线程同步的servlet类，例如：
Java代码
public class LoginServlet extends HttpServlet implements javax.servlet.SingleThreadModel{ …… }
但是值得注意的是，这种同步机制只是从servlet规范的角度来说提供的一种功能，在实际应用中并不能完全解决线程安全问题，例如如果servlet中有static数据访问等，因此如果对线程安全又比较严格要求的，最好还是用一些其他的自定义的解决方案。
Wrapper的基本功能已经说了。那么再说一个wrapper比较重要的概念。严格的说，并不是每一个访问资源对应一个wrapper对象。而是每一种访问资源对应一个wrapper对象。其大致可分为三种：
处理静态资源的一个wrapper：例如html，jpg等静态资源的wrapper，它包含了一个tomcat的实现处理静态资源的缺省servlet：
Java代码
org.apache.catalina.servlets.DefaultServlet
处理jsp的一个wrapper：例如访问的所有jsp文件，它包含了一个tomcat的实现处理jsp的缺省servlet:
Java代码
org.apache.jasper.servlet.JspServlet
它主要实现了对jsp的编译等操作
处理servlet的若干wrapper：它包含了自定义的servlet对象，就是在web.xml中配置的servlet。
需要注意的是，前两种wrapper分别是一个，主要是其对应的是DefaultServlet及JspServlet。这两个servlet是在tomcat的全局conf目录下的web.xml中配置的，当app启动时，加载到内存中。
Xml代码
<servlet>
<servlet-name>default</servlet-name>
<servlet-class>org.apache.catalina.servlets.DefaultServlet</servlet-class>
<init-param>
<param-name>debug</param-name>
<param-value>0</param-value>
</init-param>
<init-param>
<param-name>listings</param-name>
<param-value>false</param-value>
</init-param>
<load-on-startup>1</load-on-startup>
</servlet>
<servlet>
<servlet-name>jsp</servlet-name>
<servlet-class>org.apache.jasper.servlet.JspServlet</servlet-class>
<init-param>
<param-name>fork</param-name>
<param-value>false</param-value>
</init-param>
<init-param>
<param-name>xpoweredBy</param-name>
<param-value>false</param-value>
</init-param>
<load-on-startup>3</load-on-startup>
</servlet>
至此，阐述了tomcat的四大容器结构。 有时间接着探讨tomcat如何将这四大容器串起来运作的。
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