Tomcat原理:启动过程分析

从开始学Java，使用网页编程，我们的程序就一直在web容器内运行。容器的概念也是彷佛距离我们相当遥远。Spring给了我们一扇窗户，让我们理解轻量级容器的解决方案。非常庆幸我们所处在一个开源的Java世界，所有的优秀软件都可以在代码级进行亲密接触。
Tomcat结构写的相当之好，极易阅读。本系列文档计划着重以下3个方面：
1. Tomcat 启动过程分析。分析tomcat的启动过程
2. Tomcat Web容器功能分析。分析web容器的实现方法
3. Tomcat 其他配置说明。一些我们目前应用较少的Tomcat配置项说明
注意，本文档分析基于Tomcat5.028完成。
Tomcat的启动过程简单说起来，就是读取配置文件server.xml，然后对其进行实例化的过程。
1. 启动命令行参数
命令行方式下，直接启动startup.bat/.sh即可。bat文件目的就在于获得启动参数。一般情况下，使用类似如下所示的启动方法。注意：bootstrap.jar文件中，还指定了3个包在classpath中。
java -classpath "d:\tools\jdk1.5.0\lib\tools.jar;D:\Tomcat-5.0.28\bin\bootstrap.jar" -Dcatalina.base="D:\Tomcat-5.0.28" -Dcatalina.home="D:\Tomcat-5.0.28" -Djava.io.tmpdir="D:\Tomcat-5.0.28\temp" org.apache.catalina.startup.Bootstrap start
Bootstrap是Tomcat的入口。比如启动、关闭、重启都是通过这个类实现对tomcat的控制。

2. ClassLoader的使用
Tomcat对不同的模块可能使用不同的ClassLoader加载。这也就是为什么很多类不在启动的classpath中，却可以被它调用的原因。
下面是Bootstrap初始化ClassLoader的方法：
private void initClassLoaders() {
    try {
        ClassLoaderFactory.setDebug(debug);
        commonLoader = createClassLoader("common", null);
        catalinaLoader = createClassLoader("server", commonLoader);
        sharedLoader = createClassLoader("shared", commonLoader);
    } catch (Throwable t) {
        log("Class loader creation threw exception", t);
        System.exit(1);
    }
}

下图是Tomcat用户手册上看到的。
       Bootstrap
          |
       System
          |
       Common
      /      \
Catalina   Shared
(server)     /   \
      Webapp1 Webapp2 ...
Bootstrap是JVM提供的
System是在classpath中提供的
Common包含配置文件/org/apache/catalina/startup/catalina.properties中指定的类库支持
Catalina和Shared都从Common中继承，包含的类库也在上面配置文件中指定。
WebappX在部署单个Tomcat5实例时指定。一个webapp下面的类库对另外一个是不可见的
Tomcat加载类的顺序和普通的不太一样，如下：
Bootstrap classes of your JVM
System class loader classses (described above)
/WEB-INF/classes of your web application
/WEB-INF/lib/*.jar of your web application
$CATALINA_HOME/common/classes
$CATALINA_HOME/common/endorsed/*.jar
$CATALINA_HOME/common/lib/*.jar
$CATALINA_BASE/shared/classes
$CATALINA_BASE/shared/lib/*.jar
注意，如果希望不使用JVM本身提供的类。这时可以使用jdk的endorsed 特性。

3. Catalina类的作用
如果要启动Tomcat，那么一个org.apache.catalina.startup.Catalina实例就生成，由它完成接下来的工作。
下面是它的启动代码
    public void start() {
        if (server == null) {
            load();
        }
        long t1 = System.currentTimeMillis();
        // Start the new server
        if (server instanceof Lifecycle) {
            try {
                ((Lifecycle) server).start();
            } catch (LifecycleException e) {
                log.error("Catalina.start: ", e);
            }
        }
        long t2 = System.currentTimeMillis();
        log.info("Server startup in " + (t2 - t1) + " ms");
        try {
            // Register shutdown hook
            if (useShutdownHook) {
                if (shutdownHook == null) {
                    shutdownHook = new CatalinaShutdownHook();
                }
                Runtime.getRuntime().addShutdownHook(shutdownHook);
            }
        } catch (Throwable t) {
        }
        if (await) {
            await();
            stop();
        }
    }
启动过程先载入配置文件，然后根据配置文件启动的Server实例启动实例，在实例中注册关闭钩子。
接下来的工作就是等待发出关闭指令或重启指令了。
4. Server对象的生成
服务的生成就是根据配置文件server.xml，实例化的对象。对象实例化过程中，会做载入webapp，在特定端口等待客户连接等工作。
从server.xml到对象的映射是通过commons-digester.jar包完成的。这个包的一个主要功能就是映射xml到java对象。
catalina类的方法createStartDigester完成了这个工作。部分代码如下
Digester digester = new CatalinaDigester();
digester.setValidating(false);
digester.setClassLoader(StandardServer.class.getClassLoader());

// Configure the actions we will be using
digester.addObjectCreate("Server","org.apache.catalina.core.StandardServer", "className");
digester.addSetProperties("Server");
digester.addSetNext("Server","setServer","org.apache.catalina.Server");
digester会在解析之后，返回一个对象。
5. 服务的中止
StandardServer.await是保持tomcat运行的秘密。方法启动一个ServerSocket，侦听发出停止的字符串。这是一个死循环。当有停止运行的字符发出，跳出此循环。
Socket socket = null;
InputStream stream = null;
try {
    socket = serverSocket.accept();
    socket.setSoTimeout(10 * 1000); // Ten seconds
    stream = socket.getInputStream();
} catch (AccessControlException ace) {
......
while (true) {
    ......
    StringBuffer command = new StringBuffer();
    ......
    while (expected > 0) {
        ......
        ch = stream.read();
        ......
         command.append((char) ch);
        ......
    }
    ......
    boolean match = command.toString().equals(shutdown);
    if (match) break;
......
}
......
serverSocket.close();
跳出循环后，系统执行关闭连接等资源的操作，服务就中止了。
我们上面谈到，因为Catalina已经注册了关闭钩子，所以从命令行方式关闭进程也是可以释放资源的。但前提是JVM必须在。如果JVM都立刻杀掉了，释放的操作就不能进行了。
Catalina.stopServer方法用于发出一个让服务停止的指令
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", server.getPort());
OutputStream stream = socket.getOutputStream();
String shutdown = server.getShutdown();
for (int i = 0; i < shutdown.length(); i++)
    stream.write(shutdown.charAt(i));
stream.flush();
stream.close();
socket.close();