Tomcat服务器顶层结构和启动过程

号外：2016 最流行的是哪一种 Java 应用服务器呢？

通过从部署的 1240 个 JVM 中得到的数据，我们能够确定出现了 862 个容器供应商，或者说是占到了运行环境的 70% 左右。这些容器的供应商分布如下：

Tomcat 的安装基数已经连续两年超过排行榜的 50%。占到总份额的 58.22% 无疑使其成为赢家。

免费、开源、跨平台的Tomcat无疑是我们开始学习Java EE的第一个服务器，会用对于日常开发完全够用了，但是还是要学一下Tomcat相关的原理和设计思想等，对于以后相关的扩展和优化有着重要的作用。下边是学习Tomcat，翻看Tomcat源码的一些总结和感悟，作为笔记查看。

1、Tomcat服务器顶层结构

俗话说，站在巨人的肩膀上看世界，一般学习的时候也是先总览一下整体，然后逐个部分个个击破，最后形成思路，了解具体细节。Tomcat 的结构很复杂，但是 Tomcat 也非常的模块化，找到了 Tomcat 最核心的模块，问题才可以游刃而解。先上一张Tomcat的顶层结构图，如下：

Tomcat中最顶层的容器是Server，代表着整个服务器，从上图中可以看出，一个Server可以包含至少一个Service，用于具体提供服务。

Service主要包含两个部分：Connector和Container。从上图中可以看出 Tomcat 的心脏就是这两个组件，他们的作用如下：

1. Connector用于处理链接相关的事情，并提供Socket与Request和Response相关的转化;
2. Container用于封装和管理Servlet，以及具体处理Request请求；

一个Tomcat中只有一个Server，一个Server可以包含多个Service，一个Service只有一个Container，但是可以有多个Connectors，这是因为一个服务可以有多个连接，如同时提供http和https链接，也可以提供向相同协议不同端口的连接。

多个 Connector 和一个 Container 就形成了一个 Service，有了 Service 就可以对外提供服务了，但是 Service 还要一个生存的环境，必须要有人能够给她生命、掌握其生死大权，那就非 Server 莫属了。所以整个 Tomcat 的生命周期由 Server 控制。

另外，上述的包含关系或者说是父子关系，都可以在tomcat的conf目录下的server.xml配置文件中看出，下图是删除了注释内容之后的一个完整的server.xml配置文件（Tomcat版本为8.0）

详细的配置文件文件内容可以到Tomcat官网查看： http://tomcat.apache.org/tomcat-8.0-doc/index.html

上边的配置文件，还可以通过下边的一张结构图更清楚的理解：

Server标签设置的端口号为8005，shutdown=”SHUTDOWN” ，表示在8005端口监听“SHUTDOWN”命令，乳沟接收到了就会关闭Tomcat。一个Server有一个Service，当然还可以进行配置，一个Service有多个，Service左边的内容都属于Container的，Service下边是Connector。

总结：
Tomcat中只有一个Server，一个Server可以有多个Service，一个Service可以有多个Connector和一个Container。

2、Tomcat的启动过程

首先看一张Tomcat启动的时序图，如下：

Tomcat的启动入口main方法是在Bootstrap类里，但具体的执行过程是在Catalina里边，这样做可以使得把启动的入口和具体的管理类进行分开，从而可以方便的创建多种启动的方式。

Catalina是整个Tomcat的管理类，他有三个方法load、start、stop分别用来管理整个服务器的生命周期。load方法用于加载tomcat/conf目录下的server.xml配置文件，用来创建Server并调用Server的init方法进行初始化操作，start用于启动服务器器，stop用于停止服务器，start和stop方法在内部分别调用Server的start和stop方法，load方法在内部调用了 Server的init方法，这三个方法都会按层次分逐层调用相应的方法。

从上述的时序图，按着从上到下，从左到右的顺序，完全可以了解整个Tomcat的启动顺序。

上图中看到了几个陌生的名字，下边具体说明。

2.1、Bootstrap的启动过程

Bootstrap作为Tomcat的启动入口，其main方法如下：

  public static void main(String args[]) {

        //首先判断Bootstrap daemon 是否为空，就是创建一个Bootstrap实例daemon
        if (daemon == null) {
            // Don't set daemon until init() has completed
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            try {
                bootstrap.init(); //初始化ClassLoader，并用ClassLoader创建了一个Catalina实例，并将这个实例赋值给了cataLinaDaemon
            } catch (Throwable t) {
                handleThrowable(t);
                t.printStackTrace();
                return;
            }
            daemon = bootstrap;
        } else {
            // When running as a service the call to stop will be on a new
            // thread so make sure the correct class loader is used to prevent
            // a range of class not found exceptions.
            Thread.currentThread().setContextClassLoader(daemon.catalinaLoader);
        }

        try {
            String command = "start"; //指定默认的执行指令是start
            if (args.length > 0) {
                command = args[args.length - 1];
            }

            if (command.equals("startd")) {
                args[args.length - 1] = "start";
                daemon.load(args); //BootStrap的load方法，其实是调用Calatina的load方法
                daemon.start();
            } else if (command.equals("stopd")) {
                args[args.length - 1] = "stop";
                daemon.stop();
            } else if (command.equals("start")) {
                daemon.setAwait(true); //setWait方法 主要是为了设置Server启动完成后是否进入等待状态的标志，如果为true则进入，否则不进入
                daemon.load(args);   //load方法用于加载配置文件，创建并初始化Server
                daemon.start();     //start方法用于启动服务器
            } else if (command.equals("stop")) {
                daemon.stopServer(args);
            } else if (command.equals("configtest")) {
                daemon.load(args);
                if (null == daemon.getServer()) {
                    System.exit(1);
                }
                System.exit(0);
            } else {
                log.warn("Bootstrap: command \"" + command + "\" does not exist.");
            }
        } catch (Throwable t) {
            // Unwrap the Exception for clearer error reporting
            if (t instanceof InvocationTargetException &&
                    t.getCause() != null) {
                t = t.getCause();
            }
            handleThrowable(t);
            t.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }

（1）上述执行的bootstrap.init()方法源代码如下：

（2）main方法里边，首先创建一个Bootstrap，并执行init方法进行初始化，然后出来main方法里传入的参数，如果参数为空，默认为start。

（3）在init方法里初始化ClassLoader，并用ClassLoader创建了Catalina实例，然后赋值给catalinaDaemon变量，后边对命令的操作都要使用catalinaDaemon来具体的执行；

（4）在start命令的处理调用的时候有三个方法：setAwait、load
、start。这三个方法在内部调用了Clatalina的相应的方法进行具体的执行，只不过是用反射来调用的。

2.2、Catalina的启动过程

Catalina的启动主要调用setAwait、load和start方法来实现，setAwait方法用于设置Server启动完成后是否进入等待状态的标志，如果为true则进入，否则不进入；load方法用于加载配置文件，创建并初始化Server；start用于启动服务器。

Catalina的load方法根据con/server.xml文件进行创建对象的，并赋值给server属性。

2.3、Server的启动过程

Server是一个接口，继承自Lifecycle ，接口定义如下：

  public interface Server extends Lifecycle {
}

看接口的结构图可以看出，其中包含了addService、findService、removeService三个主要的方法，用来增加、查找、删除Service。Server的init方法和start方法分别循环调用了每个Service方init方法和start方法来启动所有的Service。

Server 的默认实现是：org.apache.catalina.core.StandardServer,继承关系图如下：

StandardServer的initInternal和startInternal方法分别循环调用了每一个Service的start和init方法。

2.4、Service的启动过程

Service是一个接口，继承自Lifecycle ，接口定义如下：

  public interface Service extends Lifecycle {
}

Service 接口定义的方法和属性如下：

Service的默认实现是：org.apache.catalina.core.StandardService。StandardService和StandardServer有相似的继承关系，如下图：

StandardService的initInternal方法如下：

      @Override
    protected void initInternal() throws LifecycleException {

        super.initInternal();

        if (engine != null) {
            engine.init();
        }

        // Initialize any Executors
        for (Executor executor : findExecutors()) {
            if (executor instanceof JmxEnabled) {
                ((JmxEnabled) executor).setDomain(getDomain());
            }
            executor.init();
        }

        // Initialize mapper listener
        mapperListener.init();

        // Initialize our defined Connectors
        synchronized (connectorsLock) {
            for (Connector connector : connectors) {
                connector.init();
            }
        }
    }

StandardService的startInternal方法如下：

      @Override
    protected void startInternal() throws LifecycleException {

        if(log.isInfoEnabled())
            log.info(sm.getString("standardService.start.name", this.name));
        setState(LifecycleState.STARTING);

        // Start our defined Container first
        if (engine != null) {
            synchronized (engine) {
                engine.start();
            }
        }

        synchronized (executors) {
            for (Executor executor: executors) {
                executor.start();
            }
        }

        mapperListener.start();

        // Start our defined Connectors second
        synchronized (connectorsLock) {
            for (Connector connector: connectors) {
                // If it has already failed, don't try and start it
                if (connector.getState() != LifecycleState.FAILED) {
                    connector.start();
                }
            }
        }
    }

可以看出，StandardService的initInternal和startInternal方法主要调用container、executors、mapperListener、connectors的init和start方法。

mapperListener是Mapper的监听器，用来监听Container容器的变化；executors是用在connectors中管理线程的线程池，在server.xml文件中可以看到，默认是注释的：

3、总结

上述的几小节，大致记录了一下Tomcat的整体结构，在上边介绍的时候，也有一些没有写到的东西，比如说Tomcat生命周期管理的接口Lifecycle、Connector、Container以及Tomcat如何进行通信，如何解析和处理具体的Http请求，这些会在以后的学习中不断记录下来。

参考文章：
1、 2016 最流行的 Java EE 服务器
2、 Tomcat 系统架构与设计模式
3、《Tomcat分析-韩路彪》