第二章-Tomcat核心架构拆解

💡 第二章：Tomcat 核心架构拆解

目录

• 2.1 整体分层结构
• 2.2 各组件职责详解
• 2.3 server.xml 配置示例
• 2.4 生命周期接口与启动流程
• 2.5 组件间通信机制
• 2.6 本章小结

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2.1 整体分层结构

架构层次图

层次关系说明

层次	组件	数量关系	职责
Server	1个	1:1	整个 Tomcat 实例的容器
Service	1个	1:1	服务单元，包含 Connector 和 Engine
Connector	多个	1:N	协议适配，处理不同协议请求
Engine	1个	1:1	请求处理引擎，路由请求到 Host
Host	多个	1:N	虚拟主机，根据域名路由
Context	多个	1:N	Web 应用上下文，对应一个应用
Wrapper	多个	1:N	Servlet 包装器，管理 Servlet 实例

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2.2 各组件职责详解

2.2.1 Server 组件

职责

• 整体容器：Tomcat 实例的根容器
• 生命周期管理：启动、停止整个 Tomcat 实例
• 配置管理：加载和管理全局配置

核心功能

// Server 接口核心方法
public interface Server extends Lifecycle {// 添加服务void addService(Service service);// 移除服务void removeService(Service service);// 查找服务Service findService(String name);// 获取所有服务Service[] findServices();
}

配置示例

<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN"><!-- 全局监听器 --><Listener className="org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener" /><Listener className="org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener" SSLEngine="on" /><Listener className="org.apache.catalina.core.JreMemoryLeakPreventionListener" /><Listener className="org.apache.catalina.mbeans.GlobalResourcesLifecycleListener" /><Listener className="org.apache.catalina.core.ThreadLocalLeakPreventionListener" /><!-- 全局资源 --><GlobalNamingResources><Resource name="UserDatabase" auth="Container"type="org.apache.catalina.UserDatabase"description="User database that can be updated and saved"factory="org.apache.catalina.users.MemoryUserDatabaseFactory"pathname="conf/tomcat-users.xml" /></GlobalNamingResources><!-- 服务配置 --><Service name="Catalina"><!-- Connector 和 Engine 配置 --></Service>
</Server>

2.2.2 Service 组件

职责

• 服务单元：将 Connector 和 Engine 组合在一起
• 请求路由：将 Connector 接收的请求路由到 Engine
• 生命周期协调：协调 Connector 和 Engine 的生命周期

核心功能

// Service 接口核心方法
public interface Service extends Lifecycle {// 获取引擎Engine getContainer();// 设置引擎void setContainer(Engine engine);// 添加连接器void addConnector(Connector connector);// 移除连接器void removeConnector(Connector connector);// 查找连接器Connector[] findConnectors();
}

2.2.3 Connector 组件

职责

• 协议适配：将不同协议的请求转换为标准格式
• I/O 处理：处理网络 I/O 操作
• 请求解析：解析 HTTP 请求头和参数

支持的协议

协议	实现类	说明
HTTP/1.1	Http11NioProtocol	非阻塞 I/O
HTTP/1.1	Http11AprProtocol	APR 原生实现
HTTP/2	Http2Protocol	HTTP/2 协议支持
AJP	AjpNioProtocol	Apache JServ Protocol

配置示例

<!-- HTTP Connector -->
<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"connectionTimeout="20000"redirectPort="8443"maxThreads="200"minSpareThreads="10"maxSpareThreads="50"acceptCount="100"compression="on"compressionMinSize="2048"compressableMimeType="text/html,text/xml,text/plain,text/css,text/javascript,application/javascript,application/json" /><!-- AJP Connector -->
<Connector port="8009" protocol="AJP/1.3"redirectPort="8443"maxThreads="200"minSpareThreads="10"maxSpareThreads="50" />

2.2.4 Engine 组件

职责

• 请求处理引擎：处理所有请求的入口点
• Host 路由：根据请求的 Host 头路由到相应的 Host
• 默认 Host：处理没有匹配 Host 的请求

核心功能

// Engine 接口核心方法
public interface Engine extends Container {// 获取默认主机String getDefaultHost();// 设置默认主机void setDefaultHost(String defaultHost);// 获取主机Host getHost(String name);// 添加主机void addChild(Container child);
}

配置示例

<Engine name="Catalina" defaultHost="localhost"><!-- 集群配置 --><Cluster className="org.apache.catalina.ha.tcp.SimpleTcpCluster"/><!-- 主机配置 --><Host name="localhost" appBase="webapps"unpackWARs="true" autoDeploy="true"><!-- Context 配置 --></Host><!-- 虚拟主机配置 --><Host name="api.example.com" appBase="webapps/api"unpackWARs="true" autoDeploy="true"><Context path="" docBase="api-app" /></Host>
</Engine>

2.2.5 Host 组件

职责

• 虚拟主机：根据域名提供不同的 Web 服务
• Context 路由：根据请求路径路由到相应的 Context
• 应用管理：管理部署在主机上的 Web 应用

核心功能

// Host 接口核心方法
public interface Host extends Container {// 获取应用基础目录String getAppBase();// 设置应用基础目录void setAppBase(String appBase);// 查找上下文Context findContext(String name);// 添加上下文void addChild(Container child);
}

配置示例

<Host name="localhost" appBase="webapps"unpackWARs="true" autoDeploy="true"xmlValidation="false" xmlNamespaceAware="false"><!-- 应用上下文 --><Context path="/myapp" docBase="myapp" reloadable="true"><!-- 应用特定配置 --></Context><!-- 默认应用 --><Context path="" docBase="ROOT" /><!-- 访问日志 --><Valve className="org.apache.catalina.valves.AccessLogValve"directory="logs"prefix="localhost_access_log"suffix=".txt"pattern="%h %l %u %t &quot;%r&quot; %s %b" />
</Host>

2.2.6 Context 组件

职责

• Web 应用上下文：代表一个 Web 应用
• Servlet 路由：根据 URL 路径路由到相应的 Servlet
• 资源管理：管理应用内的静态资源和类文件

核心功能

// Context 接口核心方法
public interface Context extends Container {// 获取应用路径String getPath();// 设置应用路径void setPath(String path);// 获取文档基础目录String getDocBase();// 设置文档基础目录void setDocBase(String docBase);// 添加 Servlet 映射void addServletMappingDecoded(String pattern, String name);
}

配置示例

<Context path="/myapp" docBase="myapp" reloadable="true"><!-- 环境变量 --><Environment name="app.config" value="production" type="java.lang.String" /><!-- 资源引用 --><Resource name="jdbc/MyDB" auth="Container"type="javax.sql.DataSource"driverClassName="com.mysql.jdbc.Driver"url="jdbc:mysql://localhost:3306/mydb"username="user"password="pass"maxTotal="20"maxIdle="10"maxWaitMillis="10000" /><!-- Servlet 映射 --><Servlet name="MyServlet" class="com.example.MyServlet" /><ServletMapping name="MyServlet" urlPattern="/myservlet" />
</Context>

2.2.7 Wrapper 组件

职责

• Servlet 包装器：管理单个 Servlet 实例
• 生命周期管理：管理 Servlet 的 init、service、destroy 方法
• 实例管理：管理 Servlet 实例的创建和销毁

核心功能

// Wrapper 接口核心方法
public interface Wrapper extends Container {// 获取 Servlet 类名String getServletClass();// 设置 Servlet 类名void setServletClass(String servletClass);// 加载 ServletServlet load() throws ServletException;// 分配 Servlet 实例Servlet allocate() throws ServletException;
}

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2.3 server.xml 配置示例

完整配置示例

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN"><!-- 全局监听器 --><Listener className="org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener" /><Listener className="org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener" SSLEngine="on" /><Listener className="org.apache.catalina.core.JreMemoryLeakPreventionListener" /><Listener className="org.apache.catalina.mbeans.GlobalResourcesLifecycleListener" /><Listener className="org.apache.catalina.core.ThreadLocalLeakPreventionListener" /><!-- 全局资源 --><GlobalNamingResources><Resource name="UserDatabase" auth="Container"type="org.apache.catalina.UserDatabase"description="User database that can be updated and saved"factory="org.apache.catalina.users.MemoryUserDatabaseFactory"pathname="conf/tomcat-users.xml" /></GlobalNamingResources><!-- 服务配置 --><Service name="Catalina"><!-- HTTP 连接器 --><Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"connectionTimeout="20000"redirectPort="8443"maxThreads="200"minSpareThreads="10"maxSpareThreads="50"acceptCount="100"compression="on"compressionMinSize="2048"compressableMimeType="text/html,text/xml,text/plain,text/css,text/javascript,application/javascript,application/json"useSendfile="true" /><!-- AJP 连接器 --><Connector port="8009" protocol="AJP/1.3"redirectPort="8443"maxThreads="200"minSpareThreads="10"maxSpareThreads="50" /><!-- 引擎配置 --><Engine name="Catalina" defaultHost="localhost"><!-- 集群配置 --><Cluster className="org.apache.catalina.ha.tcp.SimpleTcpCluster"/><!-- 主机配置 --><Host name="localhost" appBase="webapps"unpackWARs="true" autoDeploy="true"xmlValidation="false" xmlNamespaceAware="false"><!-- 应用上下文 --><Context path="/myapp" docBase="myapp" reloadable="true"><Resource name="jdbc/MyDB" auth="Container"type="javax.sql.DataSource"driverClassName="com.mysql.jdbc.Driver"url="jdbc:mysql://localhost:3306/mydb"username="user"password="pass"maxTotal="20"maxIdle="10"maxWaitMillis="10000" /></Context><!-- 访问日志 --><Valve className="org.apache.catalina.valves.AccessLogValve"directory="logs"prefix="localhost_access_log"suffix=".txt"pattern="%h %l %u %t &quot;%r&quot; %s %b" /></Host><!-- 虚拟主机 --><Host name="api.example.com" appBase="webapps/api"unpackWARs="true" autoDeploy="true"><Context path="" docBase="api-app" /></Host></Engine></Service>
</Server>

配置层次关系

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2.4 生命周期接口与启动流程

2.4.1 Lifecycle 接口

生命周期状态

public enum LifecycleState {NEW(false, null),INITIALIZING(false, "before_init"),INITIALIZED(false, "after_init"),STARTING_PREP(false, "before_start"),STARTING(true, "configure_start"),STARTED(true, "after_start"),STOPPING_PREP(true, "before_stop"),STOPPING(false, "configure_stop"),STOPPED(false, "after_stop"),FAILED(false, null),DESTROYING(false, "before_destroy"),DESTROYED(false, "after_destroy"),MUST_STOP(true, null),MUST_DESTROY(false, null);
}

核心方法

public interface Lifecycle {// 添加生命周期监听器void addLifecycleListener(LifecycleListener listener);// 移除生命周期监听器void removeLifecycleListener(LifecycleListener listener);// 获取生命周期监听器LifecycleListener[] findLifecycleListeners();// 启动void start() throws LifecycleException;// 停止void stop() throws LifecycleException;// 获取状态LifecycleState getState();// 获取状态名称String getStateName();
}

2.4.2 启动流程

启动序列图

详细启动步骤

1. Bootstrap 启动

// Bootstrap.main() 方法
public static void main(String args[]) {Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();bootstrap.init();bootstrap.start();
}

2. Catalina 初始化

// Catalina.start() 方法
public void start() {// 1. 创建服务器if (getServer() == null) {load();}// 2. 启动服务器if (getServer() == null) {log.fatal("Cannot start server. Server object is not configured.");return;}long t1 = System.nanoTime();// 3. 启动服务器getServer().start();long t2 = System.nanoTime();if(log.isInfoEnabled()) {log.info("Server startup in " + ((t2 - t1) / 1000000) + " ms");}
}

3. 组件初始化顺序

// 初始化顺序
1. Server.init()
2. Service.init()
3. Connector.init()
4. Engine.init()
5. Host.init()
6. Context.init()
7. Wrapper.init()

4. 组件启动顺序

// 启动顺序
1. Server.start()
2. Service.start()
3. Engine.start()
4. Host.start()
5. Context.start()
6. Wrapper.start()
7. Connector.start()

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2.5 组件间通信机制

2.5.1 请求流转机制

请求处理流程图

关键适配器

// CoyoteAdapter 适配器
public class CoyoteAdapter implements Adapter {@Overridepublic void service(org.apache.coyote.Request req, org.apache.coyote.Response res) throws Exception {// 1. 创建 Request 和 Response 对象Request request = (Request) req.getNote(ADAPTER_NOTES);Response response = (Response) res.getNote(ADAPTER_NOTES);// 2. 设置请求属性request.setCoyoteRequest(req);response.setCoyoteResponse(res);// 3. 调用容器的 service 方法connector.getService().getContainer().getPipeline().getFirst().invoke(request, response);}
}

2.5.2 Pipeline 和 Valve 机制

Pipeline 接口

public interface Pipeline {// 获取基础 ValveValve getBasic();// 设置基础 Valvevoid setBasic(Valve valve);// 添加 Valvevoid addValve(Valve valve);// 移除 Valvevoid removeValve(Valve valve);// 获取第一个 ValveValve getFirst();
}

Valve 接口

public interface Valve {// 获取下一个 ValveValve getNext();// 设置下一个 Valvevoid setNext(Valve valve);// 处理请求void invoke(Request request, Response response) throws IOException, ServletException;// 获取信息String getInfo();
}

Valve 链示例

// 标准 Valve 链
StandardEngine -> StandardHost -> StandardContext -> StandardWrapper// 每个容器都有对应的 Pipeline
Engine: EngineValve
Host: AccessLogValve -> ErrorReportValve -> StandardHostValve
Context: StandardContextValve
Wrapper: StandardWrapperValve

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2.6 本章小结

关键要点

1. 分层架构：

   • Server → Service → Connector + Engine → Host → Context → Wrapper
   • 每层都有明确的职责和接口定义

2. 组件职责：

   • Server：整体容器，管理全局配置
   • Service：服务单元，协调 Connector 和 Engine
   • Connector：协议适配，处理网络 I/O
   • Engine：请求引擎，路由到 Host
   • Host：虚拟主机，管理 Web 应用
   • Context：应用上下文，管理 Servlet
   • Wrapper：Servlet 包装器，管理 Servlet 实例

3. 生命周期管理：

   • 所有组件都实现 Lifecycle 接口
   • 启动顺序：Server → Service → Engine → Host → Context → Wrapper → Connector
   • 停止顺序：与启动顺序相反

4. 通信机制：

   • Pipeline 和 Valve 机制实现请求处理链
   • CoyoteAdapter 负责协议适配
   • 每个容器都有对应的 Valve 链

配置要点

1. server.xml 配置：

   • 严格按照层次结构配置
   • 注意组件的依赖关系
   • 合理设置连接器参数

2. 性能考虑：

   • 连接器线程池配置
   • 主机和应用管理
   • 访问日志和监控

下一步学习

在下一章中，我们将深入探讨 Tomcat 的请求处理原理，了解从 HTTP 请求到 Servlet 响应的完整流程，以及各个组件在请求处理中的作用。

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相关资源：

• Tomcat 架构文档
• Servlet 规范文档
• Tomcat 配置参考