深入剖析tomcat之servlet容器

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       其实我们开发中经常用tomcat应用服务器，tomcat就一个servlet容器，能够运行基于serlvlet的应用程序并响应相应的http请求，开发时间长了，还是想想具体知道它是怎么运行的，尤其是servlet容器的机理，所以有幸拜读了外国人的《深入剖析tomcat》，感觉挺不错的，可以在此点击免费下载电子书，建议大家有时间读读，在读的过程中边读边翻阅着tomcat的源码，更有助于你理解它的各个机制，此处有tomcat 7的源码，点击可免费下载。

 

       本人目前时间和组织语言能力及功力有限，心有余而力不足，网上看到有好心人(randyjiawenjie)做过记录，大概就是把书中重要的东西摘录的了一下，本人就就特意摘录以下了。再就是为了更有助理解，大家可以参考Tomcat 容器与servlet的交互原理，简单介绍了serlvet的原理和生命周期，还有学习tomcat源码（2） 实现servlet容器功能，这篇文章主要还是电子书的代码及解释，升华的文章Tomcat 系统架构与设计模式，第 2 部分: 设计模式分析。

主要是《深入剖析tomcat》的第五章和第十一章。个人觉得如下3点是关键：

1. pipeline相关概念及其执行valve的顺序；

2. standardwrapper的接受http请求时候的调用序列；

3. standardwrapper基础阀加载servlet的过程（涉及到STM）；

顺便问一句，应该每一个servlet程序员都知道filter。但是你知道Filter在tomcat的哪一个地方出现的吗？答案是standardwrapper基础阀会创建Filter链，并调用doFilter（）方法

servlet容器的作用

管理servlet资源，并为web客户端填充response对象。

不同级别的容器

Engine：表示整个Catalina的servlet引擎、

Host：表示一个拥有数个上下文的虚拟主机

Context：表示一个Web应用，一个context包含一个或多个wrapper

Wrapper：表示一个独立的servlet

容器都实现了Container接口，继承了ContainerBase抽象类。

管道任务

3个概念：pipeline、valve、valveContext

pipeline包含servlet容器将要调用的任务集合，定义如下：

 

[java]  view plain copy

1. public interface Pipeline {   
2. public Valve getBasic();   
3. public void setBasic(Valve valve);   
4. public void addValve(Valve valve);   
5. public Valve[] getValves();   
6. public void invoke(Request request, Response response) throws IOException, ServletException;   
7. public void removeValve(Valve valve);  
8. }  

 

valve表示一个具体的执行任务，定义如下：

 

[java]  view plain copy

1. public interface Valve {   
2.     public String getInfo();   
3.     public void invoke(Request request, Response response, ValveContext context) throws IOException, ServletException;  
4. }  

 

valveContext按照字面意思就是阀门的上下文，用于遍历valve

 

[java]  view plain copy

1. public interface ValveContex{   
2.     public String getInfo();   
3.     public void invokeNext(Request request, Response response) throws IOException, ServletException;  
4. }  

 

valveContext的invokeNext()方法的实现：

 

[java]  view plain copy

1. public final void invokeNext(Request request, Response response) throws IOException, ServletException {   
2.     int subscript = stage; stage = stage + 1;  
3.     if (subscript < valves.length)   
4.         { valves[subscript].invoke(request, response, this); }   
5.             else if ((subscript == valves.length) && (basic != null))   
6.                 {   
7.                     basic.invoke(request, response, this);   
8.                     }  
9.                 else   
10.                 {   
11.                     throw new ServletException (sm.getString("standardPipeline.noValve"));  
12.                 }   
13.             }  

 

一个阀门的invoke方法可以如下实现：

 

[java]  view plain copy

1. public void invoke(Request request, Response response, ValveContext valveContext) throws IOException, ServletException {    
2.  //Pass the request and response on to the next valve in our pipeline   
3.  valveContext.invokeNext(request, response);   
4.  // now perform what this valve is supposed to do ...   
5.  }  

 

如果pipeline由valve1、valve2、valve3组成，调用valve1. Invoke()会发生什么？执行顺序是什么样的？假设valveN(N=1,2,3)的invoke()方法实现如下：

 

[java]  view plain copy

1. valveContext.invokeNext(request, response);  
2. System.out.println(“valve1 invoke!”);  

 

如果注意到了invokeNext()的实现，这层调用类似与下面的图：

类似与递归调用，输出为

[java]  view plain copy

1. “valve3 invoke!”  
2. “valve2 invoke!”  
3. “valve1 invoke!”  

顺序恰好于添加的顺序相反。所以这个也可以说明，为什么基础阀看起来是放在最后的，但确实要做装载servlet这样的操作。其实，放在最后的阀门总是第一个被调用。书中的依次添加HeaderLoggerValve、ClientIPLoggerValve依次添加，那么调用顺序为ClientIPLoggerValve、HeaderLoggerValve。注意到书中示例程序的运行结果和添加阀门的顺序。不过话说回来，如果valve的invoke()方法实现为：

[java]  view plain copy

1. public void invoke(Request request, Response response, ValveContext valveContext) throws IOException, ServletException {    
2. // now perform what this valve is supposed to do ...    
3. valveContext.invokeNext(request, response); //Pass the request and response on to the next valve in our pipeline    
4.  }  

那么阀门调用的顺序就会和阀门添加的顺序一致（个人感觉这样好理解）

Wrapper接口

         Wrapper表示一个独立servlet定义的容器，wrapper继承了Container接口，并且添加了几个方法。包装器的实现类负责管理其下层servlet的生命周期。

包装器接口中重要方法有allocate和load方法。allocate方法负责定位该包装器表示的servlet的实例。Allocate方法必须考虑一个servlet，是否实现了avax.servlet.SingleThreadModel接口。

Wrapper调用序列：

（1）      连接器调用Wrapper的invoke()方法；

（2）      Wrapper调用其pipeline的invoke()方法；

（3）      Pipeline调用valveContext.invokeNext()方法；

基础阀的invoke实现示例如下：

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1. public void invoke(Request request, Response response, ValveContext valveContext) throws IOException, ServletException {   
2.     SimpleWrapper wrapper = (SimpleWrapper) getContainer();   
3.     ServletRequest sreq = request.getRequest();   
4.     ServletResponse sres = response.getResponse();   
5.     Servlet servlet = null;   
6.     HttpServletRequest hreq = null;   
7.         if (sreq instanceof HttpServletRequest)   
8.             hreq = (HttpServletRequest) sreq;   
9.         HttpServletResponse hres = null;   
10.             if (sres instanceof HttpServletResponse) hres = (HttpServletResponse) sres;   
11.             // Allocate a servlet instance to process this request   
12.             try {   
13.                 servlet = wrapper.allocate();   
14.                 if (hres!=null && hreq!=null)   
15.                 {   
16.                     servlet.service(hreq, hres);   
17.                     }   
18.                     else   
19.                     {   
20.                     servlet.service(sreq, sres);   
21.                     }   
22.                     }   
23.                     catch (ServletException e) {  
24.                       
25.                     }  
26.                     }  

Context应用程序

         Context包含多个wrapper，至于用哪一个wrapper，是由映射器mapper决定的。Mapper定义如下：

[java]  view plain copy

1. public interface Mapper {  
2.     public Container getContainer();   
3.     public void setContainer(Container container);   
4.     public String getProtocol();   
5.     public void setProtocol(String protocol);   
6.     public Container map(Request request, boolean update);   
7. }  

map方法返回一个子容器(wrapper)负责来处理请求。map方法有两个参数，一个request对象和一个boolean值。实现将忽略第二个参数。这个方法是从请求对象中获取context路径和使用context的findServletMapping方法获取相关的路径名。如果一个路径名被找到，它使用context的findChild方法获取一个Wrapper的实例。一个mapper的实现：

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1. public Container map(Request request, boolean update) {   
2.      // Identify the context-relative URI to be mapped   
3.      String contextPath = ((HttpServletRequest) request.getRequest()).getContextPath();   
4.      String requestURI = ((HttpRequest) request).getDecodedRequestURI();   
5.      String relativeURI = requestURI.substring(contextPath.length());   
6.      // Apply the standard request URI mapping rules from   
7.      // the specification   
8.      Wrapper wrapper = null;   
9.      String servletPath = relativeURI;   
10.      String pathInfo = null;   
11.      String name = context.findServletMapping(relativeURI);   
12.      if (name != null)   
13.        wrapper = (Wrapper) context.findChild(name);  
14.        return (wrapper);  

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1. }  

容器包含一条管道，容器的invoke方法会调用pipeline的invoke方法。

1. pipeline的invoke方法会调用添加到容器中的阀门的invoke方法，然后调用基本阀门的invoke方法。

2.在一个wrapper中，基础阀负责加载相关的servlet类并对请求作出相应。

3. 在一个包含子容器的Context中，基础阀使用mapper来查找负责处理请求的子容器。如果一个子容器被找到，子容器的invoke方法会被调用，然后返回步骤1。

         Context的一个基础阀示例如下：注意最后一句话：wrapper.invoke(request, response); 

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1. public void invoke(Request request, Response response,ValveContext valveContext)   
2.    throws IOException, ServletException {   
3.    // Validate the request and response object types   
4.    if (!(request.getRequest() instanceof HttpServletRequest) ||   
5.      !(response.getResponse() instanceof HttpServletResponse)) {   
6.      return;   
7.    }  
8.    // Disallow any direct access to resources under WEB-INF or META-INF   
9.    HttpServletRequest hreq = (HttpServletRequest) request.getRequest();   
10.    String contextPath = hreq.getContextPath();   
11.    String requestURI = ((HttpRequest) request).getDecodedRequestURI();   
12.    String relativeURI = requestURI.substring(contextPath.length()).toUpperCase();  
13.    Context context = (Context) getContainer();   
14.    // Select the Wrapper to be used for this Request   
15.    Wrapper wrapper = null;   
16.    try {   
17.      wrapper = (Wrapper) context.map(request, true);   
18.    }catch (IllegalArgumentException e) {   
19.      badRequest(requestURI, (HttpServletResponse)   
20.        response.getResponse());   
21.        return;   
22.    }  
23.    if (wrapper == null) {   
24.      notFound(requestURI, (HttpServletResponse) response.getResponse());   
25.      return;   
26.    }   
27.    // Ask this Wrapper to process this Request   
28.    response.setContext(context);   
29.    wrapper.invoke(request, response);   
30. }  

standardwrapper

方法调用序列Sequence of Methods Invocation
对于每一个连接，连接器都会调用关联容器的invoke方法。接下来容器调用它的所有子容器的invoke方法。 如果一个连接器跟一个StadardContext实例相关联，那么连接器会调用StandardContext实例的invoke方法，该方法会调用所有它的子容器的invoke方法。

具体过程
1. 连接器创建request和response对象；
2.连接器调用StandardContext的invoke方法；
3.StandardContext的invoke方法必须调用该管道对象的invoke方法。StandardContext管道对象的基础阀是StandardContextValve类的实例。因此，StandardContext管道对象会调用StandardContextValve的invoke方法。
4.StandardContextValve的invoke方法获取相应的wrapper，处理http请求，调用wrapper的invoke方法
5.StandardWrapper是wrapper的标准实现，StandardWrapper对象的invoke方法调用pipeline的invoke方法。
6，StandardWrapper流水线的基本阀门时StandardWrapperValve。因此StandardWrapperValve的invoke方法会被调用。StandardWrapperValve的invoke方法会调用包装器的allocate方法获得一个servlet的实例。
7，当一个servlet需要被加载的时候，方法allocate调用方法load来加载一个servlet
8，方法load会调用servlet的init方法

我们主要关注的是一个servlet被调用的时候发生的细节。因此我们需要看StandardWrapper和StandarWrapperValve类

javax.servlet.SingleThreadModel
一个servlet可以实现javax.servlet.SingleThreadModel接口，实现此接口的一个servlet通俗称为SingleThreadModel（STM）的程序组件。
根据Servlet规范，实现此接口的目的是保证servlet一次只能有一个请求。

StandardWrapper实现
一个StandardWrapper对象的主要职责是：加载它表示的servlet,并实例化。该StandardWrapper不会调用servlet的service方法这个任务留给StandardWrapperValve对象，在StandardWrapper实例的基本阀门管道。StandardWrapperValve对象通过调用StandardWrapper的allocate方法获得Servlet实例。在获得Servlet实例之后的StandardWrapperValve调用servlet的service方法。

在servlet第一次被请求的时候，StandardWrapper加载servlet类。它是动态的加载servlet，所以需要知道servlet类的完全限定名称。通过StandardWrapper类的setServletClass方法将servlet的类名传递给StandardWrapper。必须考虑一个servlet是否实现了SingleThreadModel接口。 如果一个servlet没有实现SingleThreadModel接口，StandardWrapper加载该servlet一次，对于以后的请求返回相同的实例即可。

对于一个STM servlet，情况就有所不同了。StandardWrapper必须保证不能同时有两个线程提交STM servlet的service方法。

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1. Servlet instance = <get an instance of the servlet>;  
2. if ((servlet implementing SingleThreadModel>) {  
3.     synchronized (instance) {  
4.         instance.service(request, response);  
5.     ｝  
6. ｝else{  
7.     instance.service(request, response);  
8. }  

Allocating the Servlet
StandardWrapperValve的invoke方法调用了包装器的allocate方法来获得一个请求servlet的实例，因此StandardWrapper类必须实现该接口
public javax.servlet.Servlet allocate() throws ServletException;

由于要支持STM servlet，这使得该方法更复杂了一点。实际上，该方法有两部分组成，一部分负责非STM servlet的工作，另一部分负责STM servlet。

第一部分的结构如下
if (!singleThreadModel) {
 // returns a non-STM servlet instance 
}
布尔变量singleThreadModel负责标志一个servlet是否是STM servlet。
它的初始值是false，loadServlet方法会检测加载的servlet是否是STM的，如果是则将它的值该为true
第二部分处理singleThreadModel为true的情况
synchronized (instancepool) { 
 // returns an instance of the servlet from the pool 
}
对于非STM servlet，StandardWrapper定义一个java.servlet.Servlet类型的实例
private Servlet instance = null;
方法allocate检查该实例是否为null，如果是调用loadServlet方法来加载servlet。然后增加contAllocated整型并返回该实例。

[java]  view plain copy

1. if (!singleThreadModel) {  
2.     if (instance == null) {  
3.     synchronized (this) {  
4.         if (instance == null) {  
5.             try {   
6.                 instance = loadServlet();  
7.             }catch (ServletException e) {   
8.                 throw e;  
9.             }  
10.         }  
11.     }  
12. }  
13. if (!singleThreadModel) {  
14.     countAllocated++;  
15.     return (instance);  
16. }  

StandardWrapperValve
StandardWrapperValve是StandardWrapper实例上的基本阀，主要完成2个操作：
1,执行与该servlet的所有过滤器；（看到了吗，filter是在StandardWrapper的基础阀出现的）
2,调用servlet实例的的service()方法
要实现这些内容，下面是StandardWrapperValve在他的invoke方法要实现的
. 调用StandardWrapper的allocate的方法来获得一个servlet实例 
 ·调用它的private createFilterChain方法获得过滤链
· 调用过滤器链的doFilter方法。包括调用servlet的service方法
· 释放过滤器链
· 调用包装器的deallocate方法
· 如果Servlet无法使用了，调用Wrapper的unload方法