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为什么要学习Tomcat的设计思路,对我们这些 crud 工程师有用吗?现代背景下,我们不仅可以学到Tomcat的架构,学会从宏观上怎么去设计一个复杂系统,怎么设计顶层模块,以及模块之间关系。
Tomcat总体架构
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Tomcat主要实现了2个核心功能:
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处理Socket连接,负责网络字节流与Request和Response对象的转化
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加载和管理Servlet,以及具体处理Request请求
因此Tomcat设计了两个核心组件:
- 连接器(Connector)
负责对外交流
- 容器(Container)
负责内部处理。
Tomcat支持哪些I/O模型呢?
- NIO
非阻塞I/O,采用Java NIO类库实现。
- NIO.2
异步I/O,采用JDK 7最新的NIO.2类库实现。
- APR
采用Apache可移植运行库实现,是C/C++编写的本地库。
Tomcat支持哪些应用层协议呢?
- HTTP/1.1
大部分Web应用采用的访问协议。
- AJP
用于和Web服务器集成(如Apache)。
- HTTP/2
HTTP 2.0大幅度的提升了Web性能。
Service
Tomcat为支持多种I/O模型和应用层协议,一个容器可能对接多个连接器。
但单独的连接器或容器都无法对外提供服务,需组装起来才能正常工作,组装后的整体称为Service组件。
Service只是在连接器和容器外面多包了一层,把它们组装在一起。
Tomcat内可能有多个Service,通过在Tomcat中配置多个Service,可实现通过不同端口号访问同一台机器上部署的不同应用。
最顶层是Server(即一个Tomcat实例)。一个Server中有一或多个Service,一个Service中有多个连接器和一个容器。
连接器与容器之间通过标准的ServletRequest和ServletResponse通信。
连接器
连接器对Servlet容器屏蔽了协议及I/O模型的区别,处理Socket通信和应用层协议的解析,得到Servlet请求。
所以无论是HTTP、AJP,在容器中获取到的都是一个标准的ServletRequest对象。
连接器的详细功能:
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监听网络端口
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接受网络连接请求
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读取网络请求字节流
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根据具体应用层协议(HTTP/AJP)解析字节流,生成统一的Tomcat Request对象
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将Tomcat Request对象转成标准的ServletRequest
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调用Servlet容器,得到ServletResponse
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将ServletResponse转成Tomcat Response对象
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将Tomcat Response转成网络字节流
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将响应字节流写回给浏览器。
提完了需求,就需要考虑它应该有哪些子模块呢?
优秀的模块化设计应该考虑高内聚、低耦合。通过分析连接器的功能,发现连接器需要完成如下高内聚的功能:
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网络通信
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应用层协议解析
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Tomcat Request/Response与ServletRequest/ServletResponse的转化
因此Tomcat的设计者设计了3个组件来实现这3个功能:Endpoint、Processor和Adapter。
组件之间通过抽象接口交互。这样做还有一个好处是封装变化。这是面向对象设计的精髓,将系统中经常变化的部分和稳定的部分隔离,有助于增加复用性,并降低系统耦合度。
不管网络通信I/O模型、应用层协议、浏览器端发送的请求信息如何变化,但整体处理逻辑不变:
- Endpoint
提供字节流给Processor
- Processor
提供Tomcat Request对象给Adapter
- Adapter
提供ServletRequest对象给容器
如果要支持新的I/O方案、新的应用层协议,只需要实现相关具体子类,上层通用的处理逻辑不会变。
由于I/O模型和应用层协议可自由组合,比如NIO + HTTP或者NIO.2 + AJP。Tomcat的设计者将网络通信和应用层协议解析放在一起考虑,设计ProtocolHandler接口,封装这两种变化点。各种协议和通信模型的组合有相应的具体实现类。
比如:Http11NioProtocol和AjpNioProtocol
除了这些变化点,系统也存在一些相对稳定部分,因此Tomcat设计了一系列抽象基类来封装这些稳定部分,抽象基类AbstractProtocol实现了ProtocolHandler接口。每一种应用层协议有自己的抽象基类,比如AbstractAjpProtocol和AbstractHttp11Protocol,具体协议的实现类扩展了协议层抽象基类。

这样设计是为尽量将稳定的部分放到抽象基类,同时每一种I/O模型和协议的组合都有相应的具体实现类,我们在使用时可以自由选择。
连接器模块的核心组件:
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Endpoint
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Processor
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Adapter
Endpoint和Processor放在一起抽象成了ProtocolHandler组件
顶层组件
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ProtocolHandler组件
连接器用ProtocolHandler处理网络连接、应用层协议,包含如下重要部件
Endpoint


