Tomcat 原理解说：Web容器功能分析

hulefei29

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Web Tomcat Socket 网络应用网络协议

Tomcat的模块结构设计的相当好，而且其Web 容器的性能相当出色。JBoss直接就使用了Tomcat的web容器，WebLogic的早期版本也是使用了Tomcat的代码。
Web容器的工作过程在下面的第二个参考文档中的文档已经说得相当清楚，我也就不再重复说了。如果不清楚调用过程，需要先看这个文档。这里分析一下Connector的处理过程。
1. 一个简单的Web Server示例
这个例子也是从网上找得，不知道原作者，也就不在参考资料中引用了。
这个启动服务的主程序。
public class HttpServer {
public static void main(String args[]) {
int port;
ServerSocket server_socket; // 读取服务器端口号
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (Exception e) {
port = 8080;
}
try {
// 监听服务器端口，等待连接请求
server_socket = new ServerSocket(port);
System.out.println(”httpServer running on port “
+ server_socket.getLocalPort());
// 显示启动信息
while (true) {
Socket socket = server_socket.accept();
System.out.println(”New connection accepted “
+ socket.getInetAddress() + “:” + socket.getPort());
// 创建分线程
try {
HttpRequestHandler request = new HttpRequestHandler(socket);
Thread thread = new Thread(request);
// 启动线程
thread.start();
} catch (Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(e);
}
}
}

下面是创建输出的线程
public class HttpRequestHandler implements Runnable {
final static String CRLF = “\r\n”;
Socket socket;
InputStream input;
OutputStream output;
BufferedReader br;
// 构造方法
public HttpRequestHandler(Socket socket) throws Exception {
this.socket = socket;
this.input = socket.getInputStream();
this.output = socket.getOutputStream();
this.br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket
.getInputStream()));
}

// 实现Runnable 接口的run()方法
public void run() {
try {
processRequest();
} catch (Exception e) {
System.out.println(e);
}
}

private void processRequest() throws Exception {
while (true) {
// 读取并显示Web 浏览器提交的请求信息
String headerLine = br.readLine();
System.out.println(”The client request is ” + headerLine);
if (headerLine.equals(CRLF) || headerLine.equals(”"))
break;
StringTokenizer s = new StringTokenizer(headerLine);
String temp = s.nextToken();
if (temp.equals(”GET”)) {
String fileName = s.nextToken();
fileName = “.” + fileName;
// 打开所请求的文件
FileInputStream fis = null;
boolean fileExists = true;
try {
fis = new FileInputStream(”D:/workspace/tomcat/bin/”+fileName);
} catch (FileNotFoundException e) {
fileExists = false;
}
// 完成回应消息
String serverLine = “Server: a simple java httpServer”;
String statusLine = null;
String contentTypeLine = null;
String entityBody = null;
String contentLengthLine = “error”;
if (fileExists) {
statusLine = “HTTP/1.0 200 OK” + CRLF;
contentTypeLine = “Content-type: ” + contentType(fileName) + CRLF;
contentLengthLine = “Content-Length: “
+ (new Integer(fis.available())).toString() + CRLF;
} else {
statusLine = “HTTP/1.0 404 Not Found” + CRLF;
contentTypeLine = “text/html”;
entityBody = “<HTML>”
+ “<HEAD><TITLE>404 Not Found</TITLE></HEAD>” + “<BODY>404 Not Found” + “<br>usage:http://yourHostName:port/” + “fileName.html</BODY></HTML>”;
}
// 发送到服务器信息
output.write(statusLine.getBytes());
output.write(serverLine.getBytes());
output.write(contentTypeLine.getBytes());
output.write(contentLengthLine.getBytes());
output.write(CRLF.getBytes());
// 发送信息内容
if (fileExists) {
sendBytes(fis, output);
fis.close();
} else {
output.write(entityBody.getBytes());
}
}
}
// 关闭套接字和流
try {
output.close();
br.close();
socket.close();
} catch (Exception e) {
}
}

private static void sendBytes(FileInputStream fis, OutputStream os)
throws Exception {
// 创建一个 1K buffer
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytes = 0;
// 将文件输出到套接字输出流中
while ((bytes = fis.read(buffer)) != -1) {
os.write(buffer, 0, bytes);
}
}

private static String contentType(String fileName) {
if (fileName.endsWith(”.htm”) || fileName.endsWith(”.html”)) {
return “text/html”;
}
return “fileName”;
}
}
这个简单的例子说明的web服务的基本实现。Tomcat在此之上模块化出线程池，网络连接和WebHttp协议3个包。线程池可独立使用，网络连接使用池化，WebHttp直接从网络连接池中获取即可。
2. 线程池的实现
这个功能的实现在包 org.apache.tomcat.util.thread 中。
ThreadPool是线程池，是这个功能实现的核心。它使用了所有的其他类进行工作。在类图中，所有的其他类都是被此类的使用关系。
我们来看此类是如何工作得。
启动连接池的方法：
public synchronized void start() {
stopThePool = false;
currentThreadCount = 0;
currentThreadsBusy = 0;

adjustLimits();
pool = new ControlRunnable[maxThreads];
openThreads(minSpareThreads);
if (maxSpareThreads < maxThreads) {
monitor = new MonitorRunnable(this);
}
}
方法中，根据配置情况，初始化所有线程进入备用状态。
首先定义maxThreads数目的数组，但是仅仅初始化其中minSpareThreads个。MonitorRunnable用于检查，是否空闲数目超过 maxSpareThreads个。
currentThreadCount 是当前初始化可以使用的线程数目，而currentThreadsBusy 是当前正在使用的线程数目。
使用连接池的方法：
public void runIt(ThreadPoolRunnable r) {
if (null == r) {
throw new NullPointerException();
}
ControlRunnable c = findControlRunnable();
c.runIt(r);
}
该方法中，先寻找可用的线程，找到后在其中运行即可。
找可用线程的方法也很简单，就是将线程数组中第 currentThreadCount - currentThreadsBusy - 1 个元素取出返回，然后将此元素设成null。
线程运行完毕后，设置currentThreadsBusy– ，然后将 currentThreadCount - currentThreadsBusy - 1 的线程放回就可以了。
线程不够用就等待，等待失败就抛出异常。
说明一下上面未提到的类的功能：
ThreadPoolRunnable 这是一个接口，规定了一个线程运行时需要运行的一些动作。这里需要写一些业务逻辑的代码了。
ThreadWithAttributes 这个类从上面的代码中没有看到，这个类标识当前运行线程的一些特征，比如记录当前运行线程的一些状态。
ThreadPoolListener 用于监控ThreadPool中新增线程的情况。
ControlRunnable 这个类是ThreadPool的内部类，用于运行ThreadPoolRunnable 。当ThreadPoolRunnable 运行完毕后，通知ThreadPool回收线程。它时刻处于备用状态。此对象实例化后，就一直在死循环检查是否有它需要运行的东西。
3. 网络连接功能的实现
这个功能的实现在包 org.apache.tomcat.util.net 中。
网络连接功能构建于线程池之上，实现了一个连接服务模型。服务器打开端口，池化进入连接，为进入的连接创建工作线程。
Tomcat的网络连接两个主要的应用是1. 自己提供的web应用。2. 给Apache提供的web应用。这两个过程的解析过程都是一样的。仅仅在于网络连接协议有差别而已。两个应用都使用此包的功能实现。

PoolTcpEndpoint是核心，它使用了ThreadPool。TcpWorkerThread通过调用接口TcpConnectionHandler来完成一次连接需要完成的工作。TcpConnection标识了一个连接对象。
PoolTcpEndpoint的初始化方法代码很简单，在构建器中创建或引用ThreadPool，在初始化时创建ServerSocket，用于侦听客户端连接。
下面是初始化方法
public void initEndpoint() throws IOException, InstantiationException {
try {
if (factory == null)
factory = ServerSocketFactory.getDefault();
if (serverSocket == null) {
try {
if (inet == null) {
serverSocket = factory.createSocket(port, backlog);
} else {
serverSocket = factory
.createSocket(port, backlog, inet);
}
} catch (BindException be) {
throw new BindException(be.getMessage() + “:” + port);
}
}
if (serverTimeout >= 0)
serverSocket.setSoTimeout(serverTimeout);
} catch (IOException ex) {
// log(”couldn’t start endpoint”, ex, Logger.DEBUG);
throw ex;
} catch (InstantiationException ex1) {
// log(”couldn’t start endpoint”, ex1, Logger.DEBUG);
throw ex1;
}
initialized = true;
}

启动的方法同样简单，仅仅将TcpWorkerThread作为线程池的工作线程，启动连接池，就大功告成了。
public void startEndpoint() throws IOException, InstantiationException {
if (!initialized) {
initEndpoint();
}
if (isPool) {
tp.start();
}
running = true;
paused = false;
if (isPool) {
listener = new TcpWorkerThread(this);
tp.runIt(listener);
} else {
log.error(”XXX Error - need pool !”);
}
}

侦听的细节包装在TcpWorkerThread类中。运行时，它在ServerSocket端口侦听。当发现有连接进入后，立刻开启一个新线程继续侦听，本线程开始处理连接。下面是代码：
public void runIt(Object perThrData[]) {
// Create per-thread cache
if (endpoint.isRunning()) {
// Loop if endpoint is paused
while (endpoint.isPaused()) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
// Ignore
}
}
// Accept a new connection
Socket s = null;
try {
s = endpoint.acceptSocket();
} finally {
// Continue accepting on another thread…
if (endpoint.isRunning()) {
endpoint.tp.runIt(this);
}
}
// Process the connection
if (null != s) {
TcpConnection con = null;
int step = 1;
try {
// 1: Set socket options: timeout, linger, etc
endpoint.setSocketOptions(s);
// 2: SSL handshake
step = 2;
if (endpoint.getServerSocketFactory() != null) {
endpoint.getServerSocketFactory().handshake(s);
}
// 3: Process the connection
step = 3;
con = (TcpConnection) perThrData[0];
con.setEndpoint(endpoint);
con.setSocket(s);
endpoint.getConnectionHandler().processConnection(con,
(Object[]) perThrData[1]);
} catch (SocketException se) {
……
4. 协议 web http的实现
这个功能的实现在包 org.apache.coyote.http11 中。
对于Http协议的实现核心类是Http11Protocol。具体功能的实现类有MXPoolListener(实现ThreadPoolListener)，Http11ConnectionHander(实现TcpConnectionHandler)。
Http11Protocol的初始化方法比较简单，就是设置一下让网络连接开始运行。
Http11ConnectionHander 则初始化类Http11Processor，由它解析请求的字符串，交给生成此Connection的Connector的Container，也就是 Engine完成。Engine通过递归，解析应返回用户的数据。这个过程在参考文档中有介绍了。