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Tomcat 架构概述

来源:同乐城备用   发布时间:2019-06-23   点击量:144

Tomcat 是一个 Web 应用服务器,它是对 HTTP 和 Servlet 规范的实现,简单来说它做了这几件事:处理 HTTP 协议、执行 Servlet 和处理网络 I/O。这里以 6.0.53 版本为例(实现了 HTTP/1.1、Servlet2.5),研究其基本结构。

关于源码版本,我使用的是 tomcat6,因为 7 为了重构有太多的抽象,看着实在费劲,6 代码虽有冗余但读起来很直观,并且低版本也不影响理解 Tomcat 的核心流程。

体系结构

server.xml 中就能够看出 Tomcat 各组件的层次结构,具体结构图如下:

Server:代表整个容器,它可能包含一个或多个 Service 和全局 JNDI 资源;Service:包含一个或多个 Connector,这些连接器与一个 Engine 相关联;Engine:表示请求处理流水线(pipeline),它接收所有连接器的请求,并将响应交给适当的连接器返回给客户端;Host:网络名称(域名)与 Tomcat 服务器的关联,默认主机名 localhost,一个 Engine 可包含多个 Host;Connector:处理与客户端的通信,网络 I/O;Context:表示一个 Web 应用程序,一个 Host 包含多个上下文。

服务器模型

服务器模型(或 I/O 模型),描述的是 TCP 连接的处理方式,以及 Socket 读写时线程的状态。Java 里常用的是 BIO 和 NIO,分别对应同步阻塞和同步非阻塞两种模型,Tomcat 中的 Connector 组件就是对这两种的封装实现。

BIO - 阻塞式

Tomcat 实现了一个一连接一线程的简单服务器模型,内部采用线程池做了优化,设计如下:

当 Acceptor 接收到一个 TCP 连接时,线程池分配一个线程进行处理;线程调用 read() 方法读取 Socket 输入流中的字节,此时线程阻塞(Block),直到收到客户端发送的数据;收到数据后,进行解码、业务处理、编码,最后把响应发送到客户端,关闭连接。

由此可以看出,合理的分配线程池大小可以一定程度上提高系统的并发能力。

NIO - 非阻塞

BIO 的缺点在于不管当前连接有没有数据传输,它始终阻塞占用线程池内的一个线程,而 NIO 的处理方式是若通道无数据可读取,此时线程不阻塞直接返回,可用于处理其他连接,提高了线程利用率。那怎么知道什么时候处理数据的读写呢?当通道可读或可写时,内核会通知用户程序进行处理。

NIO 的编程比较复杂,常用的是 Reactor 模式,它描述了一个利用多路复用 I/O,基于事件驱动的服务器处理模型,(这里) 基于 Doug Lea 的 Scalable IO in Java 对 Reactor 进行了实现。Tomcat 的设计略有不同,其设计如下:

Acceptor 以阻塞模式接收 TCP 连接,然后将连接注册到 Poller 上;Poller 以非阻塞模式处理 SSL 握手和 HTTP 请求头的读取;BlockPoller 模拟阻塞处理 HTTP 请求体的读取和发送响应。

值得注意的是,两类 Poller 都只是负责事件的通知,I/O 操作都是由线程池中的线程完成。那么,ServerSocketChannel 为什么阻塞?为什么要模拟阻塞处理请求体和 Servlet 响应?相关的讨论可参考:

Why Tomcat"s Non-Blocking Connector is using a blocking socket?Getting my head around NIO "simulated" blocking (trying to)

Servlet API 的实现

Servlet 规范描述了容器如何加载和运行 Servlet,如和将请求映射到用户配置的 Servlet, 如何处理请求和响应等相关问题。Tomcat 主要实现了以下 API:

ServletConfig :Servlet 名字和初始化参数;ServletContext :定义了 Web 应用程序,Servlet 运行的上下文;ServletRequest :封装客户端请求;ServletResponse :封装服务端响应;FilterChain :请求过滤调用链;FilterConfig :过滤配置对象;RequestDispatcher :转发请求,将请求转发给 JSP 或另一个 Servlet 处理。

其他如 Servlet、Filter、GenericServlet、HttpServlet 接口或类则由用户程序来实现,更多详细的介绍请参考规范内容。

小结

Tomcat 架构看着挺简单但做起来难,难的就是把复杂的问题抽象化、简单化,体现到代码上就是如何设计和抽象出类并且优雅的组织在一起,它作为一个流行的中间件,其内部代码的实现以及优化手段,也是值得我们去研究和模仿的。

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