Tomcat架构设计剖析 | 博学谷狂野架构师

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Tomcat体系架构

Tomcat项目结构

bin目录

bin目录主要是用来存放tomcat的命令，主要有两大类，一类是以.sh结尾的（linux命令），另一类是以.bat结尾的（windows命令）。

很多环境变量的设置都在此处，例如可以设置JDK路径、tomcat路径

  • startup文件：主要是检查catalina.bat/sh 执行所需环境，并调用catalina.bat 批处理文件。启动tomcat。
  • catalina文件：真正启动Tomcat文件，可以在里面设置jvm参数。后面性能调优会重点讲
  • shutdown文件：关闭Tomcat
  • 脚本version.sh、startup.sh、shutdown.sh、configtest.sh都是对catalina.sh的包装，内容大同小异，差异在于功能介绍和调用catalina.sh时的参数不同。
  • Version：查看当前tomcat的版本号，
  • Configtest：校验tomcat配置文件server.xml的格式、内容等是否合法、正确。
  • Service：安装tomcat服务，可用net start tomcat 启动

conf目录

conf目录主要是用来存放tomcat的一些配置文件。

  • server.xml：可以设置端口号、设置域名或IP、默认加载的项目、请求编码
  • web.xml：可以设置tomcat支持的文件类型
  • context.xml：可以用来配置数据源之类的
  • tomcat-users.xml：用来配置管理tomcat的用户与权限
  • 在Catalina目录下可以设置默认加载的项目
server.xml
COPY

























     　　
patter解释

有效的日志格式模式可以参见下面内容，如下字符串，其对应的信息由指定的响应内容取代：

  • ％a – 远程IP地址
  • ％A – 本地IP地址
  • ％b – 发送的字节数，不包括HTTP头，或“ – ”如果没有发送字节
  • ％B – 发送的字节数，不包括HTTP头
  • ％h – 远程主机名
  • ％H – 请求协议
  • ％l (小写的L)- 远程逻辑从identd的用户名（总是返回’ – ‘）
  • ％m – 请求方法
  • ％p – 本地端口
  • ％q – 查询字符串（在前面加上一个“？”如果它存在，否则是一个空字符串
  • ％r – 第一行的要求
  • ％s – 响应的HTTP状态代码
  • ％S – 用户会话ID
  • ％t – 日期和时间，在通用日志格式
  • ％u – 远程用户身份验证
  • ％U – 请求的URL路径
  • ％v – 本地服务器名
  • ％D – 处理请求的时间（以毫秒为单位）
web.xml

Tomcat中所有应用默认的部署描述文件，主要定义了基础的Servlet和MIME映射(mime-mapping 文件类型，其实就是Tomcat处理的文件类型),如果部署的应用中不包含Web.xml，那么Tomcat将使用此文件初始化部署描述，反之，Tomcat会在启动时将默认描述与定义描述配置进行合并。

加载一些tomcat内置的servlet

DefaultServlet默认的,加载静态文件 html,js,jpg等静态文件。

JspServlet专门处理jsp。

context.xml

用于自定义所有Web应用均需要加载的Context配置，如果Web应用指定了自己的context.xml，那么该文件的配置将被覆盖。

context.xml与server.xml中配置context的区别

server.xml是不可动态重加载的资源，服务器一旦启动了以后，要修改这个文件，就得重启服务器才能重新加载。而context.xml文件则不然，tomcat服务器会定时去扫描这个文件。一旦发现文件被修改（时间戳改变了），就会自动重新加载这个文件，而不需要重启服务器。

catalina.policy

权限相关 Permission ，Tomcat是跑在jvm上的，所以有些默认的权限

tomcat-users.xml

配置Tomcat的server的manager信息

COPY
logging.properties

设置tomcat日志

控制输出不输出内容到文件，不能阻止生成文件，阻止声文件可用注释掉

lib目录

lib目录主要用来存放tomcat运行需要加载的jar包。

例如，像连接数据库的jdbc的包我们可以加入到lib目录中来。

Tomcat的类库，里面是一大堆jar文件。如果需要添加Tomcat依赖的jar文件，可以把它放到这个目录中，当然也可以把应用依赖的jar文件放到这个目录中，这个目录中的jar所有项目都可以共享之，但这样你的应用放到其他Tomcat下时就不能再共享这个目录下的Jar包了，所以建议只把Tomcat需要的Jar包放到这个目录下；

logs目录

logs目录用来存放tomcat在运行过程中产生的日志文件，非常重要的是在控制台输出的日志。（清空不会对tomcat运行带来影响）

这个目录中都是日志文件，记录了Tomcat启动和关闭的信息，如果启动Tomcat时有错误，那么异常也会记录在日志文件中

在windows环境中，控制台的输出日志在catalina.xxxx-xx-xx.log文件中 ​ 在linux环境中，控制台的输出日志在catalina.out文件中

  • localhost-xxx.log：Web应用的内部程序日志，建议保留
  • catalina-xxx.log：控制台日志
  • host-manager.xxx.log：Tomcat管理页面中的host-manager的操作日志，建议关闭
  • localhost_access_log_xxx.log：用户请求Tomcat的访问日志（这个文件在conf/server.xml里配置），建议关闭

temp目录

temp目录用户存放tomcat在运行过程中产生的临时文件。（清空不会对tomcat运行带来影响）

webapps目录

webapps目录用来存放应用程序，当tomcat启动时会去加载webapps目录下的应用程序。可以以文件夹、war包、jar包的形式发布应用。

当然，你也可以把应用程序放置在磁盘的任意位置，在配置文件中映射好就行。

存放web项目的目录，其中每个文件夹都是一个项目；如果这个目录下已经存在了目录，那么都是tomcat自带的。项目。其中ROOT是一个特殊的项目，在地址栏中没有给出项目目录时，对应的就是ROOT项目。http://localhost:8080/examples，进入示例项目。其中examples就是项目名，即文件夹的名字。

work目录

work目录用来存放tomcat在运行时的编译后文件，例如JSP编译后的文件。 清空work目录，然后重启tomcat，可以达到清除缓存的作用。

运行时生成的文件，最终运行的文件都在这里。通过webapps中的项目生成的！可以把这个目录下的内容删除，再次运行时会生再次生成work目录。当客户端用户访问一个JSP文件时，Tomcat会通过JSP生成Java文件，然后再编译Java文件生成class文件，生成的java和class文件都会存放到这个目录下。

Tomcat组件及架构

Server

Server是最顶级的组件，它代表Tomcat的运行实例，它掌管着整个Tomcat的生死大权；

  • 提供了监听器机制，用于在Tomcat整个生命周期中对不同时间进行处理
  • 提供Tomcat容器全局的命名资源实现，JNDI
  • 监听某个端口以接受SHUTDOWN命令，用于关闭Tomcat

Service

一个概念，一个Service维护多个Connector和一个Container

它由一个或者多个Connector组成，以及一个Engine，负责处理所有Connector所获得的客户请求。

Connector组件

链接器：监听转换Socket请求，将请求交给Container处理，支持不同协议以及不同的I/O方式

TOMCAT有两个典型的Connector，一个直接侦听来自browser的http请求，一个侦听来自其它WebServer的请求Coyote Http/1.1 Connector 在端口8080处侦听来自客户browser的http请求Coyote JK2 Connector 在端口8009处侦听来自其它WebServer(Apache)的servlet/jsp代理请求。

Container

表示能够执行客户端请求并返回响应的一类对象，其中有不同级别的容器：Engine、Host、Context、Wrapper

Engine

整个Servler引擎，最高级的容器对象

Engine下可以配置多个虚拟主机Virtual Host，每个虚拟主机都有一个域名当Engine获得一个请求时，它把该请求匹配到某个Host上，然后把该请求交给该Host来处理Engine有一个默认虚拟主机，当请求无法匹配到任何一个Host上的时候，将交给该默认Host来处理。

Host

表示Servlet引擎中的虚拟机，主要与域名有关，一个服务器有多个域名是可以使用多个Host

代表一个Virtual Host，虚拟主机，每个虚拟主机和某个网络域名Domain Name相匹配，每个虚拟主机下都可以部署(deploy)一个或者多个Web App，每个Web App对应于一个Context，有一个Context path当Host获得一个请求时，将把该请求匹配到某个Context上，然后把该请求交给该Context来处理匹配的方法是“最长匹配”，所以一个path==””的Context将成为该Host的默认Context所有无法和其它Context的路径名匹配的请求都将最终和该默认Context匹配。

Context

用于表示ServletContext,一个ServletContext表示一个独立的Web应用

一个Context对应于一个Web Application，一个WebApplication由一个或者多个Servlet组成，Context在创建的时候将根据配置文件$CATALINA_HOME/conf/web.xml和$WEBAPP_HOME/WEB-INF/web.xml载入Servlet类，当Context获得请求时，将在自己的映射表(mapping table)中寻找相匹配的Servlet类。如果找到，则执行该类，获得请求的回应，并返回。

是Web应用的抽象，Web应用部署到Tomcat后运行时就会转化成Context对象；包含了各种静态资源、若干Servlet（Wrapper容器）以及各种其他动态资源；

  • 包含Listener组件用以在生命周期中对Context相关的事件进行监听；
  • 包含AccessLog组件以记录访问日志；
  • 包含Pipeline组件用以处理请求；
  • 包含Realm组件用以提供安全权限功能；
  • 包含Loader组件用以加载Web应用的资源，保证不同Web应用之间的资源隔离；
  • 包含Manager组件用以管理Web容器的会话，包括维护会话的生成、更新和销毁；
  • 包含NamingResource组件将Tomcat配置文件的server.xml和Web应用的context.xml资源和属性映射到内存中；

Wrapper

用于表示Web应用中定义的Servlet

对应的是Servlet；包含Web应用开发常用的Servlet组件；包含ServletPool组件用以存放Servlet对象，当Web应用的Servlet实现了SingleThreadModel接口时则会再Wrapper中产生一个Servlet对象池，线程执行时，需先从对象池中获取到一个Servlet对象，ServletPool组件能保证Servlet对象的线程安全；包含Pipeline组件用以处理请求。

我们从功能的角度将Tomcat源代码分成5个子模块，它们分别是：

  1. Jsper子模块：这个子模块负责jsp页面的解析、jsp属性的验证，同时也负责将jsp页面动态转换为java代码并编译成class文件。在Tomcat源代码中，凡是属于org.apache.jasper包及其子包中的源代码都属于这个子模块；
  2. Servlet和Jsp规范的实现模块：这个子模块的源代码属于javax.servlet包及其子包，如我们非常熟悉的javax.servlet.Servlet接口、javax.servet.http.HttpServlet类及javax.servlet.jsp.HttpJspPage就位于这个子模块中；
  3. Catalina子模块：这个子模块包含了所有以org.apache.catalina开头的java源代码。该子模块的任务是规范了Tomcat的总体架构，定义了Server、Service、Host、Connector、Context、Session及Cluster等关键组件及这些组件的实现，这个子模块大量运用了Composite设计模式。同时也规范了Catalina的启动及停止等事件的执行流程。从代码阅读的角度看，这个子模块应该是我们阅读和学习的重点。
  4. Connectors子模块：如果说上面三个子模块实现了Tomcat应用服务器的话，那么这个子模块就是Web服务器的实现。所谓连接器(Connector)就是一个连接客户和应用服务器的桥梁，它接收用户的请求，并把用户请求包装成标准的Http请求(包含协议名称，请求头Head，请求方法是Get还是Post等等)。同时，这个子模块还按照标准的Http协议，负责给客户端发送响应页面，比如在请求页面未发现时，connector就会给客户端浏览器发送标准的Http 404错误响应页面。
  5. Resource子模块：这个子模块包含一些资源文件，如Server.xml及Web.xml配置文件。严格说来，这个子模块不包含java源代码，但是它还是Tomcat编译运行所必需的。

Executor

Tomcat组件间可以共享的线程池

Tomcat的并发，提供了Executor接口来表示一个可以在组件间共享的线程池。该接口同样继承LifeCycle接口

共享范围：Executor由Service维护，因此同一个Service中的组件可以共享一个线程池

Tomcat的核心组件

  • 解耦：网络协议与容器的解耦。
  • Connector：链接器封装了底层的网络请求(Socket请求及相应处理),提供了统一的接口，使Container容器与具体的请求协议以及I/O方式解耦。
  • Connector：将Socket输入转换成Request对象，交给Container容器进行处理，处理请求后，Container通过Connector提供的Response对象将结果写入输出流。

因为无论是Request对象还是Response对象都没有实现Servlet规范对应的接口，Container会将它们进一步分装成ServletRequest和ServletResponse.

Tomcat的链接器

AJP主要是用于Web服务器与Tomcat服务器集成，AJP采用二进制传输可读性文本，使用保持持久性的TCP链接，使得AJP占用更少的带宽，并且链接开销要小得多，但是由于AJP采用持久化链接，因此有效的连接数较HTTP要更多。

对于I/0选择，要根据业务场景来定，一般高并发场景下，APR和NIO2的性能要优于NIO和BIO，（linux操作系统支持的NIO2由于是一个假的，并没有真正实现AIO，所以一般linux上推荐使用NIO，如果是APR的话，需要安装APR库，而Windows上默认安装了），所以在8.5的版本中默认是NIO。

Tomcat运行流程

假设来自客户的请求为 http://localhost:8080/test/index.jsp

  1. 请求被发送到本机端口8080，被在那里侦听的Coyote HTTP/1.1 Connector获得
  2. Connector把该请求交给它所在的Service的Engine来处理，并等待Engine的回应
  3. Engine获得请求localhost:8080/test/index.jsp，匹配它所有虚拟主机Host
  4. Engine匹配到名为localhost的Host（即使匹配不到也把请求交给该Host处理，因为该Host被定义为该Engine的默认主机）
  5. localhost Host获得请求/test/index.jsp，匹配它所拥有的所有Context
  6. Host匹配到路径为/test的Context（如果匹配不到就把该请求交给路径名为””的Context去处理）
  7. path=”/test”的Context获得请求/index.jsp，在它的mapping table中寻找对应的servlet
  8. Context匹配到URL PATTERN为*.jsp的servlet，对应于JspServlet类
  9. 构造HttpServletRequest对象和HttpServletResponse对象，作为参数调用JspServlet的doGet或doPost方法
  10. Context把执行完了之后的HttpServletResponse对象返回给Host
  11. Host把HttpServletResponse对象返回给Engine
  12. Engine把HttpServletResponse对象返回给Connector
  13. Connector把HttpServletResponse对象返回给客户browser

本文由传智教育博学谷狂野架构师教研团队发布。

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