Tomcat 的整体架构是如何设计的（上）

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在面试的时候面试官基本都会问道：你做的 XX 项目是如何设计的，请讲一下实现的思路。对于面试官来说，可以通过你对复杂系统的设计的理解，了解你的技术水平以及处理复杂问题的思路。

今天就让来一步一步分析 tomcat 的设计思路，看看 tomcat 的设计者们当时是如何回答这个问题的。

Tomcat 的总体架构

我们知道要实现 tomcat 有两个 2 核心功能：

处理 Socket 连接的能力以及负责网络字节流、Request 和 Response 对象的转化
加载和管理 servlet，以及具体处理 Request 的技术

Tomcat 为此设计了两个核心组件连接器（Connector）和容器（Contanier）来分别做这两件事情。连接器负责对外交流，容器负责内部的处理。这章的重点是连接器。

在讲连接器之前，需要先了解一下 tomcat 支持的多种 I/O 模型和应用层协议。

Tomcat 支持的 I/O 协议有：

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。
HTTP/2：HTTP 2.0 大幅度的提升了 Web 性能。

Tomcat 支持的应用层协议有：

HTTP/1.1：这是大部分 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。

Tomcat 为了实现支持多种 I/O 模型和应用层协议，一个容器可能对接多个连接器，就好比一个房间有多个门。但是单独的连接器或者容器都不能对外提供服务，需要把它们组装起来才能工作，组装后这个整体叫作 Service 组件。这里请你注意，Service 本身没有做什么重要的事情，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，这样的设计也是出于灵活性的考虑。通过在 Tomcat 中配置多个 Service，可以实现通过不同的端口号来访问同一台机器上部署的不同应用。因此得到下图：
在这里插入图片描述
这里的 Server 指的就是一个 Tomcat 实例。一个 Server 中有一个或者多个 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 容器屏蔽了协议以及 I/O 模型等区别。在容器中获取的都是一个标准的 servletRquest 对象。
我们可以把连接器的功能需求进一步细化：

监听网络端口
接受网络连接请求
读取网络请求字节流
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
将 Tomcat Request 对象转换为标准的 servlet Request 对象
调用 servlet 容器，得到 servletResponse
将 ServletResponse 转成 Tomcat Response 对象。
将 Tomcat Response 转成网络字节流。
将响应字节流写回给浏览器。

将流程理清楚之后，我们需要思考的是，连接器应该有哪些子模块？优秀的模块化设计应该考虑的是高内聚、低耦合。

高内聚是指相关度比较高的功能要尽可能集中，不要分散。
低耦合是指两个相关的模块要尽可能减少依赖的部分和降低依赖的程度，不要让两个模块产生强依赖。

通过分析连接器的详细功能列表，我们发现连接器需要完成 3 个高内聚的功能：

网络通信
应用层协议解析
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，分别是 Endpoint、Processor 和 Adapter。

组件与组件之间通过抽象接口互相通信，做到面向接口编程、封装变化。这是设计模式的精髓，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。

网络通信的 I/O 模型是变化的，可能是非阻塞 I/O、异步 I/O 或者 APR。应用层协议也是变化的，可能是 HTTP、HTTPS、AJP。浏览器端发送的请求信息也是变化的。

但是整体的处理逻辑是不变的，Endpoint 负责提供字节流给 Processor，Processor 负责提供 Tomcat Request 对象给 Adapter，Adapter 负责提供 ServletRequest 对象给容器。

如果要支持新的 I/O 方案、新的应用层协议，只需要实现相关的具体子类，上层通用的处理逻辑是不变的。

由于 I/O 模型和应用层协议可以自由组合，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，设计了一个叫 ProtocolHandler 的接口来封装这两种变化点。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的部分，因此 Tomcat 设计了一系列抽象基类来封装这些稳定的部分，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。下面是整理的它们的继承关系：

在这里插入图片描述

通过上面的图，你可以清晰地看到它们的继承和层次关系，这样设计的目的是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。

小结一下，连接器模块用三个核心组件：Endpoint、Processor 和 Adapter 来分别做三件事情，其中 Endpoint 和 Processor 放在一起抽象成了 ProtocolHandler 组件，它们的关系如下图所示
在这里插入图片描述

下面我来详细介绍这两个顶层组件 ProtocolHandler 和 Adapter。

ProtocolHandler 组件

由上文我们知道，连接器用 ProtocolHandler 来处理网络连接和应用层协议，包含了 2 个重要部件：Endpoint 和 Processor，下面我来详细介绍它们的工作原理。

Endpoint

Endpoint 是通信端点，即通信监听的接口，是具体的 Socket 接收和发送处理器，是对传输层的抽象，因此 Endpoint 是用来实现 TCP/IP 协议的。

Endpoint 是一个接口，对应的抽象实现类是 AbstractEndpoint，而 AbstractEndpoint 的具体子类，比如在 NioEndpoint 和 Nio2Endpoint 中，有两个重要的子组件：Acceptor 和 SocketProcessor。

其中 Acceptor 用于监听 Socket 连接请求。SocketProcessor 用于处理接收到的 Socket 请求，它实现 Runnable 接口，在 run 方法里调用协议处理组件 Processor 进行处理。为了提高处理能力，SocketProcessor 被提交到线程池来执行。

Processor

如果说 Endpoint 是用来实现 TCP/IP 协议的，那么 Processor 用来实现 HTTP 协议，Processor 接收来自 Endpoint 的 Socket，读取字节流解析成 Tomcat Request 和 Response 对象，并通过 Adapter 将其提交到容器处理，Processor 是对应用层协议的抽象。

Processor 是一个接口，定义了请求的处理等方法。它的抽象实现类 AbstractProcessor 对一些协议共有的属性进行封装，没有对方法进行实现。具体的实现有 AjpProcessor、Http11Processor 等，这些具体实现类实现了特定协议的解析方法和请求处理方式。

我们再来看看连接器的组件图：
在这里插入图片描述

Adapter 组件

由于协议不同，客户端发过来的请求信息也不尽相同，Tomcat 定义了自己的 Request 类来“存放”这些请求信息。ProtocolHandler 接口负责解析请求并生成 Tomcat Request 类。但是这个 Request 对象不是标准的 ServletRequest，也就意味着，不能用 Tomcat Request 作为参数来调用容器。Tomcat 设计者的解决方案是引入 CoyoteAdapter，这是适配器模式的经典运用，连接器调用 CoyoteAdapter 的 sevice 方法，传入的是 Tomcat Request 对象，CoyoteAdapter 负责将 Tomcat Request 转成 ServletRequest，再调用容器的 service 方法。