Tomcat源碼分析 | 啟動過程深度解析
前言
前文已述，Tomcat 的初始化由 Bootstrap 反射調用 Catalina 的 load 方法完成，包括解析 server.xml、實例化各組件、初始化組件等步驟。此番，我們將深入探究 Tomcat 如何啟動 Web 應用，并解析其加載 ServletContextListener 及 Servlet 的機制。
Tomcat 啟動邏輯層層遞進，各部件協同運作。其啟動流程自上而下，依次啟動各個組件，如圖：
圖片
承接前文，我們已解析了 Catalina.load() 方法，接下來將深入探討 daemon.start() 方法的執行過程。
Bootstrap
daemon.start()
啟動過程與初始化類似，均由 Bootstrap 反射調用 Catalina 的 start 方法。
public void start()
throws Exception {
if( catalinaDaemnotallow==null ) init();
Method method = catalinaDaemon.getClass().getMethod("start", (Class [] )null);
method.invoke(catalinaDaemon, (Object [])null);
}Catalina
public void start() {
if (getServer() == null) {
load();
}
if (getServer() == null) {
log.fatal("Cannot start server. Server instance is not configured.");
return;
}
long t1 = System.nanoTime();
// Start the new server
try {
//調用Server的start方法，啟動Server組件
getServer().start();
} catch (LifecycleException e) {
log.fatal(sm.getString("catalina.serverStartFail"), e);
try {
getServer().destroy();
} catch (LifecycleException e1) {
log.debug("destroy() failed for failed Server ", e1);
}
return;
}
long t2 = System.nanoTime();
if(log.isInfoEnabled()) {
log.info("Server startup in " + ((t2 - t1) / 1000000) + " ms");
}
// Register shutdown hook
// 注冊勾子，用于安全關閉tomcat
if (useShutdownHook) {
if (shutdownHook == null) {
shutdownHook = new CatalinaShutdownHook();
}
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(shutdownHook);
// If JULI is being used, disable JULI's shutdown hook since
// shutdown hooks run in parallel and log messages may be lost
// if JULI's hook completes before the CatalinaShutdownHook()
LogManager logManager = LogManager.getLogManager();
if (logManager instanceof ClassLoaderLogManager) {
((ClassLoaderLogManager) logManager).setUseShutdownHook(
false);
}
}
// Bootstrap中會設置await為true，其目的在于讓tomcat在shutdown端口阻塞監聽關閉命令
if (await) {
await();
stop();
}
}Server
在先前的 Lifecycle 文章中，我們已闡述 StandardServer 重寫了 startInternal 方法，并在此基礎上實現了自身的啟動邏輯。
StandardServer.startInternal
protected void startInternal() throws LifecycleException {
fireLifecycleEvent(CONFIGURE_START_EVENT, null);
setState(LifecycleState.STARTING);
globalNamingResources.start();
// Start our defined Services
synchronized (servicesLock) {
for (int i = 0; i < services.length; i++) {
services[i].start();
}
}
}在啟動過程中，LifecycleBase 首先發出 STARTING_PREP 事件，StandardServer 額外還會發出 CONFIGURE_START_EVENT 和 STARTING 事件，通知 LifecycleListener 在啟動前進行準備工作。例如，NamingContextListener 會處理 CONFIGURE_START_EVENT 事件，實例化 Tomcat 相關的上下文以及 ContextResource 資源。
隨后，啟動 Service 組件，這部分邏輯將在后續文章中詳細分析。最后，LifecycleBase 發出 STARTED 事件，完成啟動流程。
Service
StandardService 的 start 代碼如下所示：
- 啟動 Engine，Engine 的子容器也會被啟動，Web 應用的部署將在這一步驟完成；
- 啟動 Executor，這是 Tomcat 使用 Lifecycle 封裝的線程池，繼承自 java.util.concurrent.Executor 以及 Tomcat 的 Lifecycle 接口；
- 啟動 Connector 組件，Connector 完成 Endpoint 的啟動，此時意味著 Tomcat 可以對外提供請求服務。
StandardService.startInternal
protected void startInternal() throws LifecycleException {
setState(LifecycleState.STARTING);
// 啟動Engine
if (engine != null) {
synchronized (engine) {
engine.start();
}
}
// 啟動Executor線程池
synchronized (executors) {
for (Executor executor: executors) {
executor.start();
}
}
// 啟動MapperListener
mapperListener.start();
// 啟動Connector
synchronized (connectorsLock) {
for (Connector connector: connectors) {
try {
// If it has already failed, don't try and start it
if (connector.getState() != LifecycleState.FAILED) {
connector.start();
}
} catch (Exception e) {
// logger......
}
}
}
}Engine
StandardEngine 的標準實現為 org.apache.catalina.core.StandardEngine。其構造函數的主要職責是使用默認的基礎閥門創建 StandardEngine 組件。
/**
* Create a new StandardEngine component with the default basic Valve.
*/
public StandardEngine() {
super();
pipeline.setBasic(new StandardEngineValve());
/* Set the jmvRoute using the system property jvmRoute */
try {
setJvmRoute(System.getProperty("jvmRoute"));
} catch(Exception ex) {
log.warn(sm.getString("standardEngine.jvmRouteFail"));
}
// By default, the engine will hold the reloading thread
backgroundProcessorDelay = 10;
}讓我們來深入分析 StandardEngine.startInternal 方法。
StandardEngine.startInternal
@Override
protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {
// Log our server identification information
if(log.isInfoEnabled())
log.info( "Starting Servlet Engine: " + ServerInfo.getServerInfo());
// Standard container startup
super.startInternal();
}StandardEngine、StandardHost、StandardContext、StandardWrapper 這幾個容器之間存在著父子關系。一個父容器可以包含多個子容器，并且每個子容器都對應一個父容器。Engine 是頂層父容器，它沒有父容器。各個組件的包含關系如下圖所示：
圖片
默認情況下，StandardEngine 只有一個子容器 StandardHost，一個 StandardContext 對應一個 Web 應用，而一個 StandardWrapper 對應一個 Web 應用里面的一個 Servlet。
StandardEngine、StandardHost、StandardContext、StandardWrapper 都是繼承自 ContainerBase，各個容器的啟動是由父容器調用子容器的 start 方法完成的，也就是說由 StandardEngine 啟動 StandardHost，再由 StandardHost 啟動 StandardContext，以此類推。
由于它們都繼承自 ContainerBase，當調用 start 啟動 Container 容器時，首先會執行 ContainerBase 的 start 方法。ContainerBase 會尋找子容器，并在線程池中啟動子容器。StandardEngine 也不例外。
ContainerBase
ContainerBase 的 startInternal 方法如下所示，主要分為以下三個步驟：
- 啟動子容器
- 啟動 Pipeline，并發出 STARTING 事件
- 如果 backgroundProcessorDelay 參數 >= 0，則開啟 ContainerBackgroundProcessor 線程，用于調用子容器的 backgroundProcess 方法
protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {
// 省略若干代碼......
// 把子容器的啟動步驟放在線程中處理，默認情況下線程池只有一個線程處理任務隊列
Container children[] = findChildren();
List<Future<Void>> results = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < children.length; i++) {
results.add(startStopExecutor.submit(new StartChild(children[i])));
}
// 阻塞當前線程，直到子容器start完成
boolean fail = false;
for (Future<Void> result : results) {
try {
result.get();
} catch (Exception e) {
log.error(sm.getString("containerBase.threadedStartFailed"), e);
fail = true;
}
}
// 啟用Pipeline
if (pipeline instanceof Lifecycle)
((Lifecycle) pipeline).start();
setState(LifecycleState.STARTING);
// 開啟ContainerBackgroundProcessor線程用于調用子容器的backgroundProcess方法，默認情況下backgroundProcessorDelay=-1，不會啟用該線程
threadStart();
}ContainerBase 會將 StartChild 任務丟給線程池處理，并獲取 Future 對象。然后，它會遍歷所有 Future，并進行阻塞式的 result.get() 操作，這將異步啟動轉換為同步啟動，只有所有子容器都啟動完成才會繼續運行。
我們再來看看提交到線程池的 StartChild 任務，它實現了 java.util.concurrent.Callable 接口，并在 call 方法中完成子容器的 start 動作。
private static class StartChild implements Callable<Void> {
private Container child;
public StartChild(Container child) {
this.child = child;
}
@Override
public Void call() throws LifecycleException {
child.start();
return null;
}
}啟動 Pipeline
默認使用 StandardPipeline 實現類，它也是一個 Lifecycle。在容器啟動時，StandardPipeline 會遍歷 Valve 鏈表，如果 Valve 是 Lifecycle 的子類，則會調用其 start 方法啟動 Valve 組件，代碼如下：
public class StandardPipeline extends LifecycleBase
implements Pipeline, Contained {
protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {
Valve current = first;
if (current == null) {
current = basic;
}
while (current != null) {
if (current instanceof Lifecycle)
((Lifecycle) current).start();
current = current.getNext();
}
setState(LifecycleState.STARTING);
}
}Host
在分析 Host 時，我們可以從 Host 的構造函數入手，該方法主要負責設置基礎閥門。
ublic StandardHost() {
super();
pipeline.setBasic(new StandardHostValve());
}StandardEngine.startInternal
protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {
// errorValve默認使用org.apache.catalina.valves.ErrorReportValve
String errorValve = getErrorReportValveClass();
if ((errorValve != null) && (!errorValve.equals(""))) {
try {
boolean found = false;
// 如果所有的閥門中已經存在這個實例，則不進行處理，否則添加到 Pipeline 中
Valve[] valves = getPipeline().getValves();
for (Valve valve : valves) {
if (errorValve.equals(valve.getClass().getName())) {
found = true;
break;
}
}
// 如果未找到則添加到 Pipeline 中，注意是添加到 basic valve 的前面
// 默認情況下，first valve 是 AccessLogValve，basic 是 StandardHostValve
if(!found) {
Valve valve =
(Valve) Class.forName(errorValve).getConstructor().newInstance();
getPipeline().addValve(valve);
}
} catch (Throwable t) {
// 處理異常，省略......
}
}
// 調用父類 ContainerBase，完成統一的啟動動作
super.startInternal();
}StandardHost Pipeline 包含的 Valve 組件：
- basic：org.apache.catalina.core.StandardHostValve
- first：org.apache.catalina.valves.AccessLogValve
需要注意的是，在往 Pipeline 中添加 Valve 閥門時，是添加到 first 后面，basic 前面。
Context
接下來，讓我們深入分析 Context 的實現類 org.apache.catalina.core.StandardContext。
首先，我們來看看構造方法，該方法用于設置 Context.pipeline 的基礎閥門。
public StandardContext() {
super();
pipeline.setBasic(new StandardContextValve());
broadcaster = new NotificationBroadcasterSupport();
// Set defaults
if (!Globals.STRICT_SERVLET_COMPLIANCE) {
// Strict servlet compliance requires all extension mapped servlets
// to be checked against welcome files
resourceOnlyServlets.add("jsp");
}
}啟動方法與之前分析的容器啟動方法類似，這里不再贅述。
Wrapper
Wrapper 是一個 Servlet 的包裝，我們先來看看構造方法。其主要作用是設置基礎閥門 StandardWrapperValve。
public StandardWrapper() {
super();
swValve=new StandardWrapperValve();
pipeline.setBasic(swValve);
broadcaster = new NotificationBroadcasterSupport();
}這里每個容器中的 pipeline 設置的 StandardEngineValve、StandardHostValve、StandardContextValve、StandardWrapperValve 都是非常重要的，它們在 HTTP 請求處理過程中扮演著關鍵角色，我們將在后續的文章中詳細講解。
結語
至此，整個啟動過程便告一段落。整個啟動過程由父組件控制子組件的啟動，一層層往下傳遞，直到最后全部啟動完成。
