TOMCAT源码分析(启动框架)

TOMCAT源码分析(启动框架)

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前言：
   本文是我阅读了TOMCAT源码后的一些心得。 主要是讲解TOMCAT的系统框架， 以及启动流程。若有错漏之处，敬请批评指教！
建议：
   毕竟TOMCAT的框架还是比较复杂的， 单是从文字上理解， 是不那么容易掌握TOMCAT的框架的。 所以得实践、实践、再实践。 建议下载一份TOMCAT的源码， 调试通过， 然后单步跟踪其启动过程。 如果有不明白的地方， 再来查阅本文， 看是否能得到帮助。 我相信这样效果以及学习速度都会好很多！
   
1. Tomcat的整体框架结构
   Tomcat的基本框架， 分为4个层次。
   Top Level Elements:
    Server
    Service   
   Connector
    HTTP
    AJP
   Container
   Engine
     Host
   Context
   Component  
    manager
   logger
   loader
   pipeline
   valve
         ...
   站在框架的顶层的是Server和Service
   Server:  其实就是BackGroud程序， 在Tomcat里面的Server的用处是启动和监听服务端事件（诸如重启、关闭等命令。 在tomcat的标准配置文件：server.xml里面， 我们可以看到“<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN" debug="0">”这里的"SHUTDOWN"就是server在监听服务端事件的时候所使用的命令字）
   Service： 在tomcat里面， service是指一类问题的解决方案。  通常我们会默认使用tomcat提供的：Tomcat-Standalone 模式的service。 在这种方式下的service既给我们提供解析jsp和servlet的服务， 同时也提供给我们解析静态文本的服务。
   
   Connector: Tomcat都是在容器里面处理问题的， 而容器又到哪里去取得输入信息呢？
Connector就是专干这个的。 他会把从socket传递过来的数据， 封装成Request, 传递给容器来处理。
   通常我们会用到两种Connector,一种叫http connectoer， 用来传递http需求的。 另一种叫AJP， 在我们整合apache与tomcat工作的时候， apache与tomcat之间就是通过这个协议来互动的。 （说到apache与tomcat的整合工作， 通常我们的目的是为了让apache 获取静态资源， 而让tomcat来解析动态的jsp或者servlet。）
   Container: 当http connector把需求传递给顶级的container: Engin的时候， 我们的视线就应该移动到Container这个层面来了。
   在Container这个层， 我们包含了3种容器： Engin, Host, Context.
   Engin: 收到service传递过来的需求， 处理后， 将结果返回给service( service 是通过 connector 这个媒介来和Engin互动的 ).
   Host: Engin收到service传递过来的需求后，不会自己处理， 而是交给合适的Host来处理。
Host在这里就是虚拟主机的意思， 通常我们都只会使用一个主机，既“localhost”本地机来处理。 
   Context: Host接到了从Host传过来的需求后， 也不会自己处理， 而是交给合适的Context来处理。 
   比如： <http://127.0.0.1:8080/foo/index.jsp>
         <http://127.0.1:8080/bar/index.jsp>
   前者交给foo这个Context来处理， 后者交给bar这个Context来处理。
   很明显吧！ context的意思其实就是一个web app的意思。
   我们通常都会在server.xml里面做这样的配置
   <Context path="/foo" docBase="D:/project/foo/web" />
   这个context容器，就是用来干我们该干的事儿的地方的。
   
   Compenent: 接下来， 我们继续讲讲component是干什么用的。
   我们得先理解一下容器和组件的关系。
   需求被传递到了容器里面， 在合适的时候， 会传递给下一个容器处理。
   而容器里面又盛装着各种各样的组件， 我们可以理解为提供各种各样的增值服务。
   manager: 当一个容器里面装了manager组件后，这个容器就支持session管理了， 事实上在tomcat里面的session管理， 就是靠的在context里面装的manager component.
   logger: 当一个容器里面装了logger组件后， 这个容器里所发生的事情， 就被该组件记录下来啦！ 我们通常会在logs/ 这个目录下看见 catalina_log.time.txt 以及 localhost.time.txt 和localhost_examples_log.time.txt。 这就是因为我们分别为：engin, host以及context(examples)这三个容器安装了logger组件， 这也是默认安装， 又叫做标配 ：）
   loader: loader这个组件通常只会给我们的context容器使用， loader是用来启动context以及管理这个context的classloader用的。
    pipline: pipeline是这样一个东西， 当一个容器决定了要把从上级传递过来的需求交给子容器的时候， 他就把这个需求放进容器的管道(pipeline)里面去。 而需求傻呼呼得在管道里面流动的时候， 就会被管道里面的各个阀门拦截下来。 比如管道里面放了两个阀门。 第一个阀门叫做“access_allow_vavle”， 也就是说需求流过来的时候，它会看这个需求是哪个IP过来的， 如果这个IP已经在黑名单里面了， sure, 杀！ 第二个阀门叫做“defaul_access_valve”它会做例行的检查， 如果通过的话，OK， 把需求传递给当前容器的子容器。 就是通过这种方式， 需求就在各个容器里面传递，流动， 最后抵达目的地的了。
    valve: 就是上面所说的阀门啦。
   Tomcat里面大概就是这么些东西， 我们可以简单地这么理解tomcat的框架，它是一种自上而下， 容器里又包含子容器的这样一种结构。
2. Tomcat的启动流程
   这篇文章是讲tomcat怎么启动的，既然我们大体上了解了TOMCAT的框架结构了， 那么我们可以望文生意地就猜到tomcat的启动， 会先启动父容器，然后逐个启动里面的子容器。 启动每一个容器的时候， 都会启动安插在他身上的组件。 当所有的组件启动完毕， 所有的容器启动完毕的时候， tomcat本身也就启动完毕了。
   顺理成章地， 我们同样可以猜到， tomcat的启动会分成两大部分， 第一步是装配工作。 第二步是启动工作。 
   装配工作就是为父容器装上子容器， 为各个容器安插进组件的工作。 这个地方我们会用到digester模式， 至于digester模式什么， 有什么用， 怎么工作的. 请参考 <http://software.ccidnet.com/pub/article/c322_a31671_p2.html>
   启动工作是在装配工作之后， 一旦装配成功了， 我们就只需要点燃最上面的一根导线， 整个tomcat就会被激活起来。 这就好比我们要开一辆已经装配好了的汽车的时候一样，我们只要把钥匙插进钥匙孔，一拧，汽车的引擎就会发动起来，空调就会开起来， 安全装置就会生效， 如此一来，汽车整个就发动起来了。（这个过程确实和TOMCAT的启动过程不谋而和， 让我们不得不怀疑 TOMCAT的设计者是在GE做JAVA开发的）。
2.1 一些有意思的名称：
   Catalina
   Tomcat
   Bootstrap
   Engin
   Host
   Context
   他们的意思很有意思：
   Catalina: 远程轰炸机
   Tomcat: 熊猫轰炸机 -- 轰炸机的一种（这让我想起了让国人引以为豪的熊猫手机，是不是英文可以叫做tomcat??? ， 又让我想起了另一则广告： 波导-手机中的战斗机、波音-客机中的战斗机 ）
   Bootstap: 引导
   Engin: 发动机
   Host: 主机，领土
   Context: 内容， 目标， 上下文
   
   ... 在许多许多年后， 现代人类已经灭绝。 后现代生物发现了这些单词零落零落在一块。 一个自以为聪明的家伙把这些东西翻译出来了： 
   在地勤人员的引导(bootstrap)下， 一架轰炸架(catalina)腾空跃起， 远看是熊猫轰炸机(tomcat)， 近看还是熊猫轰炸机！ 凭借着优秀的发动机技术(engin)， 这架熊猫轰炸机飞临了敌国的领土上空(host)， 对准目标(context)投下了毁天灭地的核弹头，波~ 现代生物就这么隔屁了~
 
   综上所述， 这又不得不让人联想到GE是不是也参与了军事设备的生产呢？
   反对美帝国主义！ 反对美霸权主义！ 和平万岁！ 自由万岁！
   
2.2  历史就是那么惊人的相似！ tomcat的启动就是从org.apache.catalina.startup.Bootstrap这个类悍然启动的！
   在Bootstrap里做了两件事：
   1. 指定了3种类型classloader:
      commonLoader: common/classes、common/lib、common/endorsed
      catalinaLoader: server/classes、server/lib、commonLoader
      sharedLoader：  shared/classes、shared/lib、commonLoader
   2. 引导Catalina的启动。
      用Reflection技术调用org.apache.catalina.startup.Catalina的process方法， 并传递参数过去。
   
2.3 Catalina.java
   Catalina完成了几个重要的任务：
   1. 使用Digester技术装配tomcat各个容器与组件。
      1.1 装配工作的主要内容是安装各个大件。 比如server下有什么样的servcie。 Host会容纳多少个context。 Context都会使用到哪些组件等等。 
      1.2 同时呢， 在装配工作这一步， 还完成了mbeans的配置工作。 在这里，我简单地但不十分精确地描述一下mbean是什么，干什么用的。
          我们自己生成的对象， 自己管理， 天经地义！ 但是如果我们创建了对象了， 想让别人来管， 怎么办呢？ 我想至少得告诉别人我们都有什么， 以及通过什么方法可以找到  吧！ JMX技术给我们提供了一种手段。 JMX里面主要有3种东西。Mbean, agent, connector.
       Mbean： 用来映射我们的对象。也许mbean就是我们创建的对象， 也许不是， 但有了它， 就可以引用到我们的对象了。
       Agent:  通过它， 就可以找到mbean了。
       Connector: 连接Agent的方式。 可以是http的， 也可以是rmi的，还可以直接通过socket。
      发生在tomcat 装配过程中的事情:  GlobalResourcesLifecycleListener 类的初始化会被触发：
         protected static Registry registry = MBeanUtils.createRegistry();  会运行
         MBeanUtils.createRegistry()  会依据/org/apache/catalina/mbeans/mbeans-descriptors.xml这个配置文件创建 mbeans. Ok, 外界就有了条途径访问tomcat中的各个组件了。（有点像后门儿）
   2. 为top level 的server 做初始化工作。 实际上就是做通常会配置给service的两条connector.(http, ajp)
   3. 从server这个容器开始启动， 点燃整个tomcat.
   4. 为server做一个hook程序， 检测当server shutdown的时候， 关闭tomcat的各个容器用。
   5. 监听8005端口， 如果发送"SHUTDOWN"（默认培植下字符串）过来， 关闭8005serverSocket。
2.4 启动各个容器
   1. Server
      触发Server容器启动前(before_start)， 启动中(start)， 启动后(after_start)3个事件， 并运行相应的事件处理器。
      启动Server的子容器：Servcie. 
   2. Service
      启动Service的子容器：Engin
      启动Connector
   3. Engin
      到了Engin这个层次，以及以下级别的容器， Tomcat就使用了比较一致的启动方式了。
      首先，  运行各个容器自己特有一些任务
      随后，  触发启动前事件
      立即，  设置标签，就表示该容器已经启动
      接着，  启动容器中的各个组件： loader, logger, manager等等
      再接着，启动mapping组件。（注1）
      紧跟着，启动子容器。
      接下来，启动该容器的管道(pipline)
      然后，  触发启动中事件
      最后，  触发启动后事件。
 
      Engin大致会这么做， Host大致也会这么做， Context大致还是会这么做。 那么很显然地， 我们需要在这里使用到代码复用的技术。 tomcat在处理这个问题的时候， 漂亮地使用了抽象类来处理。 ContainerBase. 最后使得这部分完成复杂功能的代码显得干净利落， 干练爽快， 实在是令人觉得叹为观止， 细细品来， 直觉如享佳珍， 另人齿颊留香， 留恋往返啊！
      
      Engin的触发启动前事件里， 会激活绑定在Engin上的唯一一个Listener：EnginConfig。
      这个EnginConfig类基本上没有做什么事情， 就是把EnginConfig的调试级别设置为和Engin相当。 另外就是输出几行文本， 表示Engin已经配置完毕， 并没有做什么实质性的工作。
      注1: mapping组件的用处是， 当一个需求将要从父容器传递到子容器的时候， 而父容器又有多个子容器的话， 那么应该选择哪个子容器来处理需求呢？ 这个由mapping 组件来定夺。
    
   4. Host
       同Engin一样， 也是调用ContainerBase里面的start()方法， 不过之前做了些自个儿的任务,就是往Host这个容器的通道（pipline）里面， 安装了一个叫做
 “org.apache.catalina.valves.ErrorReportValve”的阀门。
       这个阀门的用处是这样的：  需求在被Engin传递给Host后， 会继续传递给Context做具体的处理。 这里需求其实就是作为参数传递的Request, Response。 所以在context把需求处理完后， 通常会改动response。 而这个org.apache.catalina.valves.ErrorReportValve的作用就是检察response是否包含错误， 如果有就做相应的处理。
   5. Context
       到了这里， 就终于轮到了tomcat启动中真正的重头戏，启动Context了。
 StandardContext.start() 这个启动Context容器的方法被StandardHost调用.
 5.1 webappResources 该context所指向的具体目录
 5.2 安装defaultContex, DefaultContext 就是默认Context。 如果我们在一个Host下面安装了DefaultContext，而且defaultContext里面又安装了一个数据库连接池资源的话。 那么其他所有的在该Host下的Context, 都可以直接使用这个数据库连接池， 而不用格外做配置了。
  5.3 指定Loader. 通常用默认的org.apache.catalina.loader.WebappLoader这个类。   Loader就是用来指定这个context会用到哪些类啊， 哪些jar包啊这些什么的。
 5.4 指定 Manager. 通常使用默认的org.apache.catalina.session. StandardManager 。 Manager是用来管理session的。
     其实session的管理也很好实现。 以一种简单的session管理为例。 当需求传递过来的时候， 在Request对象里面有一个sessionId 属性。 OK， 得到这个sessionId后， 我们就可以把它作为map的key，而value我们可以放置一个HashMap. HashMap里边儿， 再放我们想放的东西。
 5.5 postWorkDirectory (). Tomcat下面有一个work目录。 我们把临时文件都扔在那儿去。 这个步骤就是在那里创建一个目录。 一般说来会在%CATALINA_HOME%/work/Standalone\localhost\ 这个地方生成一个目录。
5.6  Binding thread。到了这里， 就应该发生 class Loader 互换了。 之前是看得见tomcat下面所有的class和lib. 接下来需要看得见当前context下的class。 所以要设置contextClassLoader, 同时还要把旧的ClassLoader记录下来，因为以后还要用的。
5.7  启动 Loader. 指定这个Context具体要使用哪些classes， 用到哪些jar文件。 如果reloadable设置成了true, 就会启动一个线程来监视classes的变化， 如果有变化就重新启动Context。
5.8  启动logger
5.9  触发安装在它身上的一个监听器。
 lifecycle.fireLifecycleEvent(START_EVENT, null); 
 作为监听器之一，ContextConfig会被启动. ContextConfig就是用来配置web.xml的。 比如这个Context有多少Servlet， 又有多少Filter， 就是在这里给Context装上去的。
 5.9.1 defaultConfig. 每个context都得配置 tomcat/conf/web.xml 这个文件。
 5.9.2 applicationConfig 配置自己的 WEB-INF/web.xml 文件
5.9.3 validateSecurityRoles 权限验证。 通常我们在访问/admin 或者/manager的时候，需要用户要么是admin的要么是manager的， 才能访问。 而且我们还可以限制那些资源可以访问， 而哪些不能。 都是在这里实现的。
5.9.4 tldScan: 扫描一下， 需要用到哪些标签(tag lab)
5.10 启动 manager
5.11 postWelcomeFiles() 我们通常会用到的3个启动文件的名称：
index.html、index.htm、index.jsp 就被默认地绑在了这个context上
 5.12 listenerStart 配置listener
 5.13 filterStart 配置 filter
 5.14 启动带有<load-on-startup>1</load-on-startup>的Servlet.
  顺序是从小到大： 1,2,3… 最后是0
  默认情况下， 至少会启动如下3个的Servlet: 
  org.apache.catalina.servlets.DefaultServlet   
      处理静态资源的Servlet. 什么图片啊， html啊， css啊， js啊都找他
  org.apache.catalina.servlets.InvokerServlet
      处理没有做Servlet Mapping的那些Servlet.
  org.apache.jasper.servlet.JspServlet 
      处理JSP文件的.
       5.15  标识context已经启动完毕。
 走了多少个步骤啊， Context总算是启动完毕喽。
    OK! 走到了这里， 每个容器以及组件都启动完毕。 Tomcat终于不辞辛劳地为人民服务了！
3. 参考文献：
    <http://jakarta.apache.org/tomcat/>
    <http://www.onjava.com/pub/a/onjava/2003/05/14/java_webserver.html>
    
4. 后记
    这篇文章是讲解tomcat启动框架的，还有篇文章是讲解TOMCAT里面的消息处理流程的细节的。 文章内容已经写好了， 现在正在整理阶段。 相信很快就可以做出来， 大家共同研究共同进步。
    这篇文章是独自分析TOMCAT源码所写的， 所以一定有地方是带有个人主观色彩， 难免会有片面之处。若有不当之处敬请批评指教，这样不仅可以使刚开始研究TOMCAT的兄弟们少走弯路， 我也可以学到东西。
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