Tomcat源码解读系列（二）——Tomcat的核心组成和启动过程

snake_l

　　声明：源码版本为Tomcat 6.0.35
　　前面的文章中介绍了Tomcat的基本配置，每个配置项也基本上对应了Tomcat的组件结构，如果要用一张图来形象展现一下Tomcat组成的话，整个Tomcat的组成可以如下图所示：

　　Tomcat在接收到用户请求时，将会通过以上组件的协作来给最终用户产生响应。首先是最外层的Server和Service来提供整个运行环境的基础设施，而Connector通过指定的协议和接口来监听用户的请求，在对请求进行必要的处理和解析后将请求的内容传递给对应的容器，经过容器一层层的处理后，生成最终的响应信息，返回给客户端。
　　Tomcat的容器通过实现一系列的接口，来统一处理一些生命周期相关的操作，而Engine、Host、Context等容器通过实现Container接口来完成处理请求时统一的模式，具体表现为该类容器内部均有一个Pipeline结构，实际的业务处理都是通过在Pipeline上添加Valve来实现，这样就充分保证整个架构的高度可扩展性。Tomcat核心组件的类图如下图所示：

在介绍请求的处理过程时，将会详细介绍各个组件的作用和处理流程。本文将会主要分析Tomcat的启动流程，介绍涉及到什么组件以及初始化的过程，简单期间将会重点分析HTTP协议所对应Connector启动过程。

Tomcat在启动时的重点功能如下：

• 初始化类加载器：主要初始化CommonLoader、CatalinaLoader以及SharedLoader；
  
• 解析配置文件：使用Digester组件解析Tomcat的server.xml，初始化各个组件（包含各个web应用，解析对应的web.xml进行初始化）；
  
• 初始化连接器：初始化声明的Connector，以指定的协议打开端口，等待请求。
  

不管是通过命令行启动还是通过Eclipse的WST server UI，Tomcat的启动流程是在org.apache.catalina.startup. Bootstrap类的main方法中开始的，在启动时，这个类的核心代码如下所示：

public static void main(String args[]) {
if (daemon == null) {
daemon = new Bootstrap();//实例化该类的一个实例
try {
daemon.init();//进行初始化
} catch (Throwable t) {
……;
}
}
try {
……//此处略去代码若干行
if (command.equals("start")) {
daemon.setAwait(true);
daemon.load(args);//执行load，生成组件实例并初始化
daemon.start();//启动各个组件
            }
……//此处略去代码若干行
}

从以上的代码中，可以看到在Tomcat启动的时候，执行了三个关键方法即init、load、和start。后面的两个方法都是通过反射调用org.apache.catalina.startup.Catalina的同名方法完成的，所以后面在介绍时将会直接转到Catalina的同名方法。首先分析一下Bootstrap的init方法，在该方法中将会初始化一些全局的系统属性、初始化类加载器、通过反射得到Catalina实例，在这里我们重点看一下初始化类加载器的方法：

private void initClassLoaders() {
try {
commonLoader = createClassLoader("common", null);
if( commonLoader == null ) {
// no config file, default to this loader - we might be in a 'single' env.
commonLoader=this.getClass().getClassLoader();
}
catalinaLoader = createClassLoader("server", commonLoader);
sharedLoader = createClassLoader("shared", commonLoader);
} catch (Throwable t) {
log.error("Class loader creation threw exception", t);
System.exit(1);
}
}

在以上的代码总，我们可以看到初始化了三个类加载器，这三个类加载器将会有篇博文进行简单的介绍。

然后我们进入Catalina的load方法：

public void load() {
//……
//初始化Digester组件，定义了解析规则
Digester digester = createStartDigester();
//……中间略去代码若干，主要作用为将server.xml文件转换为输入流
try {
inputSource.setByteStream(inputStream);
digester.push(this);
//通过Digester解析这个文件，在此过程中会初始化各个组件实例及其依赖关系
            digester.parse(inputSource);
inputStream.close();
} catch (Exception e) {
}
// 调用Server的initialize方法，初始化各个组件
if (getServer() instanceof Lifecycle) {
try {
getServer().initialize();
} catch (LifecycleException e) {
if (Boolean.getBoolean("org.apache.catalina.startup.EXIT_ON_INIT_FAILURE"))
throw new java.lang.Error(e);
else   
log.error("Catalina.start", e);
}
}
}

在以上的代码中，关键的任务有两项即使用Digester组件按照给定的规则解析server.xml、调用Server的initialize方法。关于Digester组件的使用，后续会有一篇专门的博文进行讲解，而Server的initialize方法中，会发布事件并调用各个Service的initialize方法，从而级联完成各个组件的初始化。每个组件的初始化都是比较有意思的，但是我们限于篇幅先关注Connector的初始化，这可能是最值得关注的。

Connector的initialize方法，核心代码如下：

public void initialize() throws LifecycleException{
//该适配器会完成请求的真正处理   
adapter = new CoyoteAdapter(this);
//对于不同的实现，会有不同的ProtocolHandler实现类，我们来看    //Http11Protocol，它用来处理HTTP请求
        protocolHandler.setAdapter(adapter);
try {
protocolHandler.init();
} catch (Exception e) {
……
}
}

在Http11Protocol的init方法中，核心代码如下：

public void init() throws Exception {
endpoint.setName(getName());//endpoint为JIoEndpoint的实现类
        endpoint.setHandler(cHandler);
try {
endpoint.init();//核心代码就是调用 JIoEndpoint的初始化方法
} catch (Exception ex) {
……
}
}

我们看到最终的初始化方法最终都会调到JIoEndpoint的init方法，网络初始化和对请求的最初处理都是通过该类及其内部类完成的，所以后续的内容将会重点关注此类：

public void init() throws Exception {
if (acceptorThreadCount == 0) {//接受请求的线程数
acceptorThreadCount = 1;
}
if (serverSocket == null) {
try {
if (address == null) {
//基于特定端口创建一个ServerSocket对象，准备接受请求
serverSocket = serverSocketFactory.createSocket(port, backlog);
} else {
serverSocket = serverSocketFactory.createSocket(port, backlog, address);
}
} catch (BindException orig) {
……
}
}
}

在上面的代码中，我们可以看到此时初始化了一个ServerSocket对象，用来准备接受请求。

如果将其比作赛跑，此时已经到了“各就各位”状态，就等最终的那声“发令枪”了，而Catalina的start方法就是“发令枪”啦：

public void start() {
if (getServer() == null) {
load();
}
if (getServer() == null) {
log.fatal("Cannot start server. Server instance is not configured.");
return;
}
if (getServer() instanceof Lifecycle) {
try {
((Lifecycle) getServer()).start();
} catch (LifecycleException e) {
log.error("Catalina.start: ", e);
}
}
//……
}

此时会调用Server的start方法，这里我们重点还是关注JIoEndpoint的start方法：

public void start()  throws Exception {
if (!initialized) {
init();
}
if (!running) {
running = true;
paused = false;
if (executor == null) {
//初始化处理连接的线程，maxThread的默认值为200，这也就是为什么    //说Tomcat只能同时处理200个请求的来历
workers = new WorkerStack(maxThreads);
}
for (int i = 0; i < acceptorThreadCount; i++) {
//初始化接受请求的线程
Thread acceptorThread = new Thread(new Acceptor(), getName() + "-Acceptor-" + i);
acceptorThread.setPriority(threadPriority);
acceptorThread.setDaemon(daemon);
acceptorThread.start();
}
}
}
　　从以上的代码，可以看到，如果没有在server.xml中声明Executor的话，将会使用内部的一个容量为200的线程池用来后续的请求处理。并且按照参数acceptorThreadCount的设置，初始化线程来接受请求。而Acceptor是真正的幕后英雄，接受请求并分派给处理过程：



protected class Acceptor implements Runnable {
public void run() {
while (running) {
// 接受发送过来的请求
Socket socket = serverSocketFactory.acceptSocket(serverSocket);
serverSocketFactory.initSocket(socket);
//处理这个请求
if (!processSocket(socket)) {
//关闭连接
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
// Ignore
                        }
}
}
}
}

从这里我们可以看到，Acceptor接受Socket请求，并调用processSocket方法来进行请求的处理。至此，Tomcat的组件整装待命，等待请求的到来。关于请求的处理，会在下篇文章中介绍。