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理解 Tomcat 架构与自定义实现

article 2025/3/1 13:33:31

前言

Tomcat 是一个轻量级的 Web 容器，被广泛应用于 Java Web 开发中。通过它，我们可以轻松地部署和运行 Web 应用。在本文中，我们将深入分析 Tomcat 的核心架构，同时结合一段代码，手动实现一个简化的 Tomcat 服务，帮助大家更好地理解其原理和运行机制。

一、Tomcat 的核心架构

Tomcat 的架构设计高度模块化，整个架构可以分为以下几个核心组件：

1. Server

Server 是最外层的容器，它代表整个服务器，包含了多个 Service。
负责管理整个服务器的生命周期，接收客户端请求，启动、停止、销毁服务等。

2. Service

Service 是 Tomcat 中的服务单元，每个服务由两个核心组件组成(一个service有一个引擎，和按协议划分的几个连接器connector，比如负责http协议的连接器、负责https的连接器、负责其他协议的连接器。)：
- Connector（连接器）： 接收客户端请求（如 HTTP、HTTPS 等），并封装成内部的 Request 对象。并从引擎对象的方法调用接受一个返回值responds对象转化为字节流返回给浏览器。
- Engine（引擎）： 负责将请求分发到正确的 Host 和 Context。

3. Connector

Connector 是负责通信的组件。
它监听客户端的请求端口，解析协议，将请求转换为 Tomcat 内部的 Request 对象，并交给 Engine。

4. Engine

Engine 是 Service 的核心处理组件。
它将请求分发到对应的 Host（虚拟主机）。

5. Host

Host 代表一个虚拟主机。
一个 Host 可以绑定一个域名，并管理多个 Context（Web 应用）。

6. Context

Context 表示一个具体的 Web 应用。
每个 Context 是一个运行实例，负责管理应用内的 Wrapper（包装器） 和 Servlet（业务处理逻辑）。

7. Wrapper 和 Servlet

Wrapper 是对 Servlet 的包装，管理具体的 Servlet 生命周期。
Servlet 是最终处理客户端请求的逻辑单元，执行业务逻辑并返回结果。

Tomcat 处理请求的整体流程：

客户端通过 HTTP/HTTPS 发送请求，Connector 接收并解析请求。
Connector 将请求封装成 Request 对象，转发给 Engine。
Engine 将请求路由到对应的 Host。
Host 根据路径将请求分发到 Context。
Context 调用具体的 Servlet 进行处理，并返回响应。

下图展示了 Tomcat 的核心架构：

二、代码实现一个简化版的 Tomcat 服务

接下来，我们将结合一段代码，模拟实现一个简单的基于 Tomcat 的 Web 服务。代码展示了如何手动配置 Tomcat 的核心组件，并通过自定义 Servlet 处理请求。

代码示例

public class HttpServer {
    public void start(String hostname, Integer port) {
        // 创建 Tomcat 实例
        Tomcat tomcat = new Tomcat();

        // 获取 Server 和 Service
        Server server = tomcat.getServer();
        Service service = server.findService("Tomcat");

        // 配置 Connector
        Connector connector = new Connector();
        connector.setPort(port);

        // 配置 Engine 和 Host
        Engine engine = new StandardEngine();
        engine.setDefaultHost(hostname);

        Host host = new StandardHost();
        host.setName(hostname);

        // 配置 Context（Web 应用上下文）
        String contextPath = "";
        Context context = new StandardContext();
        context.setPath(contextPath);
        context.addLifecycleListener(new Tomcat.FixContextListener());

        // 将 Context 添加到 Host，将 Host 添加到 Engine
        host.addChild(context);
        engine.addChild(host);

        // 将 Engine 和 Connector 添加到 Service
        service.setContainer(engine);
        service.addConnector(connector);

        // 配置 Servlet 和请求映射
        tomcat.addServlet(contextPath, "dispatcher", new DispatcherServlet());
        context.addServletMappingDecoded("/*", "dispatcher");

        // 启动 Tomcat
        try {
            tomcat.start();
            tomcat.getServer().await();
        } catch (LifecycleException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 自定义 DispatcherServlet
public class DispatcherServlet extends HttpServlet {

    @Override
    protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        new HttpServerHandler().handler(req, resp);
    }
}

// 具体的请求处理器
public class HttpServerHandler {

    public void handler(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) {
        // 自定义逻辑，解析接口、方法、参数等
    }
}

三、代码与架构的结合解析

通过上述代码，我们可以逐步理解它与 Tomcat 架构的关联：

1. 初始化 Tomcat

Tomcat tomcat = new Tomcat();

创建一个 Tomcat 实例，相当于初始化了最外层的 Server 容器。

2. 配置 Service 和 Connector

Service service = server.findService("Tomcat");
Connector connector = new Connector();
connector.setPort(port);

获取 Tomcat 的默认 Service 并为其添加 Connector。
Connector 对应架构中的 "接收客户端请求的组件"。

3. 配置 Engine 和 Host

Engine engine = new StandardEngine();
engine.setDefaultHost(hostname);

Host host = new StandardHost();
host.setName(hostname);

配置 Engine 和虚拟主机 Host。
Engine 将请求分发到 Host，而 Host 进一步将请求路由到对应的 Context。

4. 配置 Context（Web 应用）

Context context = new StandardContext();
context.setPath(contextPath);
host.addChild(context);
engine.addChild(host);

创建一个 Context，即一个 Web 应用实例。
挂载到对应的 Host。

5. 配置 Servlet

tomcat.addServlet(contextPath, "dispatcher", new DispatcherServlet());
context.addServletMappingDecoded("/*", "dispatcher");

创建并注册一个 DispatcherServlet。
将所有路径 /* 的请求映射到这个 Servlet。

6. 请求处理流程

客户端通过 HTTP 发送请求，Connector 接收请求并封装为 Request 对象。
Request 对象 被传递给 Engine。
Engine 将请求路由到对应的 Host，然后再路由到 Context。
Context 调用注册的 DispatcherServlet 处理请求。
DispatcherServlet 执行业务逻辑，并返回响应。

四、总结

通过代码，我们清晰地看到了 Tomcat 的模块化设计如何分层处理请求，并理解了以下关键点：

Tomcat 的核心架构：Server、Service、Connector、Engine、Host、Context、Wrapper、Servlet 的分工明确，各司其职。
请求处理流程：从客户端到 Servlet，层层分发，最终实现请求的高效处理。
自定义扩展：通过注册 Servlet 和实现业务逻辑，可以轻松扩展 Tomcat 的功能。

以上内容结合理论与实践，展示了 Tomcat 的核心工作原理和实际应用场景。如果你有兴趣，可以尝试扩展代码，实现更复杂的 Web 应用。希望这篇博客能帮助你更好地理解 Tomcat 的运行机制！

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