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Tomcat 第四篇：请求处理流程（上）

极客挖掘机

共 9167字，需浏览 19分钟

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2020-09-29 14:08

1. 引言

既然是在讲 Tomcat ，那么一个 HTTP 请求的请求流程是无论如何也绕不开的。

首先抛开所有，使用我们现有的知识面，猜测一下一个请求被 Tomcat 处理的过程：

1. 客户端（浏览器）发送一个请求（HTTP）
2. 建立 Socket 连接
3. 通过 Socket 读取数据
4. 根据协议（HTTP）解析请求
5. 调用对应的代码完成响应

上面这套流程，我相信任何一个 Java 码农都能想得到，当 Tomcat 接受到请求后，经过一系列的基础处理，最终会调用到我们自己的业务程序上，或者说是 Servlet 上，在早期，这些请求会由我们自己实现的 jsp 或者是 Servlet 进行接收，随着时代的发展以及演进，出现了 Struts 和 Spring 等中间件来帮助我们完成基础的请求处理，使得开发人员更加关注具体的业务。

我想很多人都很好奇， Tomcat 是如何将这些 HTTP 请求转交给我们的 Servlet 的？

2. Connector 初始化

上一篇我们在聊 Tomcat 启动流程的时候，最后执行初始化的是 org.apache.catalina.connector.Connector#initInternal() ，这时整个初始化流程到了 Connector ，看一下这段代码：

// 去除部分代码
protected void initInternal() throws LifecycleException {
    super.initInternal();
    // Initialize adapter
    adapter = new CoyoteAdapter(this);
    protocolHandler.setAdapter(adapter);
    // ......
    try {
        protocolHandler.init();
    } catch (Exception e) {
        throw new LifecycleException(
                sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerInitializationFailed"), e);
    }
}

这段代码中主要做了两件事情：

  • 构造了 CoyoteAdapter 对象，并且将其设置为 ProtocolHandler 的 Adapter 。
  • 调用了 org.apache.coyote.ProtocolHandler#init() 的方法。

先说第二件事情，调用了 org.apache.coyote.ProtocolHandler#init() ，ProtocolHandler 是在构造方法中进行的初始化，这里的核心代码是：

setProtocol(protocol)

再看下 setProtocol() 这个方法做了啥：

public void setProtocol(String protocol) {
    boolean aprConnector = AprLifecycleListener.isAprAvailable() &&
            AprLifecycleListener.getUseAprConnector();
    if ("HTTP/1.1".equals(protocol) || protocol == null) {
        if (aprConnector) {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol");
        } else {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol");
        }
    } else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) {
        if (aprConnector) {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol");
        } else {
            setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.ajp.AjpNioProtocol");
        }
    } else {
        setProtocolHandlerClassName(protocol);
    }
}

看到这里可以知道，主逻辑分成了两块，一块是使用 HTTP/1.1 协议，另一块是使用了 AJP/1.3 的协议，这里通过协议的不同，最终初始化了不同的类。

如果是使用 HTTP/1.1 的协议，则采用了 org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol 或者 org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol，如果是采用 AJP/1.3 则采用 org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol 或者是 org.apache.coyote.ajp.AjpNioProtocol 。

看下 org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol 和 org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol 继承关系图：

可以看到这两个类都继承自 org.apache.coyote.AbstractProtocol ，通过查看 org.apache.coyote.AbstractProtocol#init() 方法，可以看到是调用了 org.apache.tomcat.util.net.AbstractEndpoint#init() ，而 AbstractEndpoint 的实例化操作是在实例化 AjpProtocol 和 Http11Protocol 的时候在其构造函数中实例化的，而在 AjpProtocol 和 Http11Protocol 的构造函数中，实际上是都初始化了 org.apache.tomcat.util.net.JIoEndpoint ，只不过根据不同的 HTTP 或者是 AJP 协议，它们具有不同的连接处理类。其中 Http11Protocol 的连接处理类为 org.apache.coyote.http11.Http11Protocol.Http11ConnectionHandler ,而连接处理类为 org.apache.coyote.ajp.AjpProtocol.AjpConnectionHandler 。

除此之外， ProtocolHandler 还有其他实现，都在 org.apache.coyote 这个包中，一些常见的类图如下：

因此到这里我们基本清楚了 Connector 的初始化流程，总结如下：

//1 HTTP/1.1协议连接器
org.apache.catalina.connector.Connector#init
->org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol#init
-->org.apache.tomcat.util.net.AprEndpoint#init
(org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol.Http11ConnectionHandler)

// 2 AJP/1.3协议连接器
org.apache.catalina.connector.Connector#init
->org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol#init
-->org.apache.tomcat.util.net.AprEndpoint#init
(org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol.AjpConnectionHandler)

3. Connector 启动

ProtocolHandler 的初始化稍微有些特殊，Server、Service、Connector 这三个容器的初始化顺序为：Server -> Service -> Connector 。值得注意的是， ProtocolHandler 作为 Connector 的子容器，其初始化过程并不是由 Connector 的 initInternal 方法调用的，而是与启动过程一道被 Connector 的 startInternal 方法所调用。

@Override
protected void startInternal() throws LifecycleException {
    // Validate settings before starting
    if (getPort() < 0) {
        throw new LifecycleException(sm.getString(
                "coyoteConnector.invalidPort", Integer.valueOf(getPort())));
    }
    setState(LifecycleState.STARTING);
    try {
        protocolHandler.start();
    } catch (Exception e) {
        throw new LifecycleException(
                sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerStartFailed"), e);
    }
}

这里也总共做了两件事儿：

  • 将 Connector 容器的状态更改为启动中(LifecycleState.STARTING) 。
  • 启动 ProtocolHandler 。

简单起见，以 Http11Protocol 为例介绍 ProtocolHandler 的 start 方法：

由于 ProtocolHandler 是一个接口，它的 start 方法有两个抽象类进行实现：

  • org.apache.coyote.AbstractAjpProtocol
  • org.apache.coyote.ajp.AbstractProtocol

这里我们仅讨论 org.apache.coyote.ajp.AbstractProtocol ，看下它的 start 的方法：

@Override
public void start() throws Exception {
    if (getLog().isInfoEnabled()) {
        getLog().info(sm.getString("abstractProtocolHandler.start", getName()));
    }

    endpoint.start();

    // Start timeout thread
    asyncTimeout = new AsyncTimeout();
    Thread timeoutThread = new Thread(asyncTimeout, getNameInternal() + "-AsyncTimeout");
    int priority = endpoint.getThreadPriority();
    if (priority < Thread.MIN_PRIORITY || priority > Thread.MAX_PRIORITY) {
        priority = Thread.NORM_PRIORITY;
    }
    timeoutThread.setPriority(priority);
    timeoutThread.setDaemon(true);
    timeoutThread.start();
}

这里最核心的一句代码是调用了 endpoint.start() ，这里的 endpoint 是抽象类 AbstractEndpoint#start() :

public final void start() throws Exception {
    if (bindState == BindState.UNBOUND) {
        bind();
        bindState = BindState.BOUND_ON_START;
    }
    startInternal();
}

这一段也做了两件事儿：

  • 判断当前绑定状态，如果没有绑定，则会先去绑定，调用 bind() 。
  • 然后调用 startInternal() 进行初始化。

AbstractEndpoint 有三个子类：

我们专注于 AprEndpoint 这个子类，上面 AbstractEndpoint 抽象类中的两个方法 bind() 和 startInternal() 都会在这个类中进行实现。

我们先看 bind() 方法：

/**
    * Initialize the endpoint.
    */
@Override
public void bind() throws Exception {

    // Create the root APR memory pool
    try {
        rootPool = Pool.create(0);
    } catch (UnsatisfiedLinkError e) {
        throw new Exception(sm.getString("endpoint.init.notavail"));
    }

    // Create the pool for the server socket
    serverSockPool = Pool.create(rootPool);
    // Create the APR address that will be bound
    String addressStr = null;
    if (getAddress() != null) {
        addressStr = getAddress().getHostAddress();
    }
    int family = Socket.APR_INET;
    if (Library.APR_HAVE_IPV6) {
        if (addressStr == null) {
            if (!OS.IS_BSD) {
                family = Socket.APR_UNSPEC;
            }
        } else if (addressStr.indexOf(':') >= 0) {
            family = Socket.APR_UNSPEC;
        }
        }

    long inetAddress = Address.info(addressStr, family,
            getPort(), 0, rootPool);
    // Create the APR server socket
    serverSock = Socket.create(Address.getInfo(inetAddress).family,
            Socket.SOCK_STREAM,
            Socket.APR_PROTO_TCP, rootPool);
    if (OS.IS_UNIX) {
        Socket.optSet(serverSock, Socket.APR_SO_REUSEADDR, 1);
    }
    if (Library.APR_HAVE_IPV6) {
        if (getIpv6v6only()) {
            Socket.optSet(serverSock, Socket.APR_IPV6_V6ONLY, 1);
        } else {
            Socket.optSet(serverSock, Socket.APR_IPV6_V6ONLY, 0);
        }
    }
    // Deal with the firewalls that tend to drop the inactive sockets
    Socket.optSet(serverSock, Socket.APR_SO_KEEPALIVE, 1);
    // Bind the server socket
    int ret = Socket.bind(serverSock, inetAddress);
    if (ret != 0) {
        throw new Exception(sm.getString("endpoint.init.bind", "" + ret, Error.strerror(ret)));
    }
    // Start listening on the server socket
    ret = Socket.listen(serverSock, getAcceptCount());
    if (ret != 0) {
        throw new Exception(sm.getString("endpoint.init.listen", "" + ret, Error.strerror(ret)));
    }
    if (OS.IS_WIN32 || OS.IS_WIN64) {
        // On Windows set the reuseaddr flag after the bind/listen
        Socket.optSet(serverSock, Socket.APR_SO_REUSEADDR, 1);
    }

    // Enable Sendfile by default if it has not been configured but usage on
    // systems which don't support it cause major problems
    if (!useSendFileSet) {
        setUseSendfileInternal(Library.APR_HAS_SENDFILE);
    } else if (getUseSendfile() && !Library.APR_HAS_SENDFILE) {
        setUseSendfileInternal(false);
    }

    // Initialize thread count default for acceptor
    if (acceptorThreadCount == 0) {
        // FIXME: Doesn't seem to work that well with multiple accept threads
        acceptorThreadCount = 1;
    }

    // Delay accepting of new connections until data is available
    // Only Linux kernels 2.4 + have that implemented
    // on other platforms this call is noop and will return APR_ENOTIMPL.
    if (deferAccept) {
        if (Socket.optSet(serverSock, Socket.APR_TCP_DEFER_ACCEPT, 1) == Status.APR_ENOTIMPL) {
            deferAccept = false;
        }
    }

    // Initialize SSL if needed
    if (isSSLEnabled()) {
        for (SSLHostConfig sslHostConfig : sslHostConfigs.values()) {
            createSSLContext(sslHostConfig);
        }
        SSLHostConfig defaultSSLHostConfig = sslHostConfigs.get(getDefaultSSLHostConfigName());
        if (defaultSSLHostConfig == null) {
            throw new IllegalArgumentException(sm.getString("endpoint.noSslHostConfig",
                    getDefaultSSLHostConfigName(), getName()));
        }
        Long defaultSSLContext = defaultSSLHostConfig.getOpenSslContext();
        sslContext = defaultSSLContext.longValue();
        SSLContext.registerDefault(defaultSSLContext, this);

        // For now, sendfile is not supported with SSL
        if (getUseSendfile()) {
            setUseSendfileInternal(false);
            if (useSendFileSet) {
                log.warn(sm.getString("endpoint.apr.noSendfileWithSSL"));
            }
        }
    }
}

这个方法上面的注释已经写的比较清楚了，首先第一个方法注释就告诉我们这个方法是用来初始化 endpoint 的，大体做了这么几件事儿：

  • 创建了 APR 的 rootPool ，从命名上看这应该是一个根连接池。
  • 创建一个 serverSockPool ，使用刚才创建的 rootPool 进行创建，这个命名大家就都看得懂了。
  • 创建用来做绑定的 APR 的地址。
  • 创建一个 APR server socket -> serverSock ，这里开启了 socket 。
  • 将刚才创建的 server 和 socket 进行绑定。
  • 开启 server socket 上面的监听。
  • 一些系统层面的设置。
  • 如果需要的话，还会进行一些 SSL 的相关设置。

接着看下 startInternal() 方法：

/**
  * Start the APR endpoint, creating acceptor, poller and sendfile threads.
  */
@Override
public void startInternal() throws Exception {

    if (!running) {
        running = true;
        paused = false;

        processorCache = new SynchronizedStack<>(SynchronizedStack.DEFAULT_SIZE,
                socketProperties.getProcessorCache());

        // Create worker collection
        if (getExecutor() == null) {
            createExecutor();
        }

        initializeConnectionLatch();

        // Start poller thread
        poller = new Poller();
        poller.init();
        Thread pollerThread = new Thread(poller, getName() + "-Poller");
        pollerThread.setPriority(threadPriority);
        pollerThread.setDaemon(true);
        pollerThread.start();

        // Start sendfile thread
        if (getUseSendfile()) {
            sendfile = new Sendfile();
            sendfile.init();
            Thread sendfileThread =
                    new Thread(sendfile, getName() + "-Sendfile");
            sendfileThread.setPriority(threadPriority);
            sendfileThread.setDaemon(true);
            sendfileThread.start();
        }

        startAcceptorThreads();
    }
}

这个方法所有的前提条件都在于如果 AprEndpoint 尚未出于运行中，即 running == true ，首先如果没有创建线程池 getExecutor() == null ，则需要调用 createExecutor() 方法创建线程池和任务队列 TaskQueue 。

public void createExecutor() {
    internalExecutor = true;
    TaskQueue taskqueue = new TaskQueue();
    TaskThreadFactory tf = new TaskThreadFactory(getName() + "-exec-", daemon, getThreadPriority());
    executor = new ThreadPoolExecutor(getMinSpareThreads(), getMaxThreads(), 60, TimeUnit.SECONDS,taskqueue, tf);
    taskqueue.setParent( (ThreadPoolExecutor) executor);
}

剩下两个是创建了两个线程，分别是 poller 和 sendfile ，这两个都是 AprEndpoint 的内部类，这两个线程一个是用来做轮询，另一个是用来做数据发送。

至此， Tomcat 中为请求处理的准备工作已经完成。




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