Tomcat 介绍

Tomcat 是 Apache 软件基金会开发的一个开源 Java Servlet 容器，用于运行 Java Web 应用程序。它实现了多个 Java EE 规范，如 Servlet、JSP（Java Server Pages）和 WebSocket 等，主要用于处理动态网页请求。作为一个轻量级的应用服务器，Tomcat 常用于开发和测试环境中，同时也适用于生产环境中的中小型应用。

Tomcat 架构

在 Tomcat Server 中，核心架构主要由三个组件组成：Service、Connector 和 Container。它们共同构成了 Tomcat 的请求处理和应用管理机制。

以下是对这三个组件的介绍：

Service (服务)

  • 功能：Service 是 Tomcat 中用于组织和管理多个 Connector 和一个 Container 的组件。它负责协调客户端连接和容器之间的关系。
  • 结构：一个 Service 包含一个 Container（通常是 Engine）和多个 Connector。Service 的目的是在多个客户端请求和后端的 Web 应用之间建立桥梁。
  • 工作机制：当请求通过 Connector 接入时，Service 会负责将这些请求分发给 Container 处理。Service 也是多个连接器共享一个 Container 的桥梁。

Connector (连接器)

  • 功能：Connector 负责处理客户端和 Tomcat 服务器之间的通信。它将客户端的请求转换成 Tomcat 可以理解的请求对象，并将响应返回给客户端。
  • 协议支持：Connector 支持多种协议，如 HTTP、HTTPS 和 AJP 。常见的连接器包括：
    • HTTP Connector：用于处理标准的 HTTP 请求。
    • AJP Connector：用于在 Tomcat 和其他 Web 服务器（如 Apache HTTP Server）之间使用 AJP 协议进行通信。
  • 工作机制：Connector 接受客户端的网络连接请求，然后将这些请求传递给 Service 中的 Container 进行进一步处理。

Container (容器)

  • 功能：Container 是 Tomcat 中用于处理请求的核心组件。它负责解析和处理通过 Connector 接收到的请求，并生成相应的响应。
  • 层级结构：Container 包含四种子容器（Engine、Host、Context 和 Wrapper）：
    • Engine：最顶层的容器，表示整个 Servlet 引擎。它负责处理通过 Connector 接收到的所有请求。一个 Tomcat 实例通常只包含一个 Engine，它在接受请求后将其分发到相应的 Host。
    • Host：表示一个虚拟主机。一个 Host 代表一个能够承载多个应用的虚拟主机，通常与一个域名相对应。它允许 Tomcat 在同一台服务器上支持多个域名（虚拟主机）。
    • Context：代表单个 Web 应用，管理该应用的生命周期。所有的 Servlet、过滤器、监听器等都运行在 Context 中。
    • Wrapper：包装一个具体的 Servlet，处理最终的请求。
  • 工作机制：当 Container 接收到 Connector 传递的请求时，它会逐级解析请求，最终将请求交给正确的 Servlet 进行处理。

Tomcat Context

Tomcat 中有三种 Context ：ServletContext、StandardContext、ApplicationContext

ServletContext

  • 接口：ServletContext 是一个接口，提供了访问和管理 web 应用程序共享资源的能力。它为所有 servlets 提供全局的视图。
  • 获取方式：通过 request.getServletContext() 可以获取到 ApplicationContextFacade 对象，它是 ServletContext 的一个实现类的包装器，用于保护实际的 ServletContext 实现不被直接操作。
  • 共享性：ServletContext 是在 web 容器启动时为每个 web 应用创建的，它在应用的生命周期内有效，并且在同一应用的所有 servlets 之间共享。因此，它代表当前 web 应用，可以访问应用的资源和设置。

ApplicationContext

  • 实现类：ApplicationContext 是 ServletContext 接口的一个具体实现类。在 Tomcat 中，ApplicationContext 被封装在 ApplicationContextFacade 中，主要用于提供对 ServletContext 的安全访问。
  • 功能：ApplicationContext 实现了 ServletContext 中的方法，因此，它可以管理 web 应用的全局资源、配置初始化参数以及共享属性。
  • 作用：实际上，ApplicationContext 是对 StandardContext 的进一步封装，ApplicationContext 中的方法会调用 StandardContext 中的对应方法，形成对 web 应用的实际管理。

StandardContext

  • 核心实现：StandardContext 是 Tomcat 中 org.apache.catalina.Context 接口的默认实现类。它表示一个完整的 web 应用，并且是 Tomcat 用于管理应用生命周期、配置、加载和运行的实际 Context 实现。
  • 功能与作用：
    • 负责管理整个 web 应用的生命周期（启动、停止、重载等）。
    • 管理应用的所有 servlets、filters、listeners 等组件。
    • 提供对应用的资源路径、JNDI 资源、会话管理等功能的支持。
  • 关系：StandardContext 是 Tomcat 内部的核心组件，负责实现 Context 接口的所有功能，并为 ApplicationContext 提供实际的支持。ApplicationContext 调用的很多方法最终都会映射到 StandardContext 的实现中。

Tomcat 管道机制

Tomcat 管道机制（Pipeline Mechanism） 是 Tomcat 内部的请求处理模型之一，它提供了一种灵活的、可扩展的处理请求和响应的方式。管道机制允许在请求和响应处理过程中插入多个可配置的处理器（Valve），这些处理器按顺序执行，形成一个请求处理的链条。

Pipeline 和 Valve 的关系

在 Tomcat 中，Pipeline（管道） 是容器（如 Engine、Host、Context 等）的一个组件，用来组织多个 Valve（阀门）。Valve 是一个个的请求处理器，而 Pipeline 负责管理这些 Valve 的顺序调用。

Tomcat 中，管道就像一个请求处理的通道，而 Valve 是放在管道中的处理站。每个请求进入 Tomcat 时，会沿着这个管道依次经过各个 Valve，直到最终处理完成。

  • Pipeline：是一个容器，它维护一系列的 Valve，形成一个处理链。
  • Valve：是管道中的节点，执行特定的请求处理逻辑。

Pipeline 结构

Tomcat 的 Pipeline 由以下两部分组成：

  • 基本 Valve（Basic Valve）：每个管道都必须有一个基本 Valve，它是管道中最后一个被调用的 Valve，负责实际的请求处理（如转发请求给某个特定的 Servlet）。如果没有其他的自定义 Valve 进行拦截或修改，最终的请求会由基本 Valve 处理。
  • 普通 Valve：可以在基本 Valve 之前插入多个普通的 Valve，这些 Valve 按照配置的顺序依次执行。

工作原理

当请求进入 Tomcat 时，经过容器（如 Engine、Host、Context 等）的 Pipeline，Pipeline 中的 Valve 会按顺序执行，处理请求并决定是否传递给下一个 Valve。如果某个 Valve 拦截了请求并处理完成，可能会终止后续 Valve 的调用。

执行过程：

  1. 请求进入某个容器的 Pipeline。
  2. Pipeline 从第一个 Valve 开始，依次调用每个 Valve 的 invoke() 方法。
  3. 每个 Valve 处理请求并决定是否传递给下一个 Valve。如果需要传递，调用 getNext().invoke(request, response)。
  4. 如果没有下一个 Valve，最终由 Basic Valve 处理请求。

Tomcat 每个层级的容器（Engine、Host、Context、Wrapper），都有基础的 Valve 实现（StandardEngineValve、StandardHostValve、StandardContextValve、StandardWrapperValve），他们同时维护了一个 Pipeline 实例（StandardPipeline），也就是说，我们可以在任何层级的容器上针对请求处理进行扩展。这四个 Valve 的基础实现都继承了 ValveBase。这个类帮我们实现了生命接口及 MBean 接口，使我们只需专注阀门的逻辑处理即可。

参考文章

Tomcat 架构与 Context 分析

Java 安全学习 —— Tomcat 架构浅析