深入理解Tomcat（一）簡(jiǎn)介

Tomcat，喵~

前言

作為后端開發(fā)人員，在實(shí)際的工作中我們會(huì)非常高頻地使用到web服務(wù)器。而tomcat作為web服務(wù)器領(lǐng)域中舉足輕重的一個(gè)web框架，又是不能不學(xué)習(xí)和了解的。

2004年出版的tomcat書籍《How tomcat works》用非常直觀和直白的方式來(lái)講述了tomcat的框架結(jié)構(gòu)和工作原理，樓主正是參考此書來(lái)深入學(xué)習(xí)tomcat的。想對(duì)tomcat進(jìn)行深入了解的同學(xué)也可以閱讀此書，肯定會(huì)受益匪淺。

【注意】：
本系列文章我們將分析tomcat-8.5.35版本的代碼，可通過(guò)apache tomcat gitub網(wǎng)站下載，https://github.com/apache/tomcat85/archive/TOMCAT_8_5_35.zip

tomcat相關(guān)的源碼地址如下：

  1. https://github.com/zhangfb95/HowTomcatWorks.git
  2. https://github.com/zhangfb95/Tomcat-Source-Code.git

上面我們提到，tomcat其實(shí)是一個(gè)web框架，那么其內(nèi)部是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？如果不用tomcat我們能自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)web服務(wù)器嗎？

首先，tomcat內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)是非常復(fù)雜的，也有非常多的各類組件，我們?cè)诤罄m(xù)章節(jié)會(huì)深入地了解。
其次，本章我們將自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)web服務(wù)器的。

下面我們就自己來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)看看。(【注】：參考了《How tomcat works》這本書)

http協(xié)議簡(jiǎn)介

http是一種協(xié)議（超文本傳輸協(xié)議），允許web服務(wù)器和瀏覽器通過(guò)Internet來(lái)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，是一種請(qǐng)求/響應(yīng)協(xié)議。http底層使用TCP來(lái)進(jìn)行通信。目前，http已經(jīng)迭代到了2.x版本，從最初的0.9、1.0、1.1到現(xiàn)在的2.x，每個(gè)迭代都加了很多功能。

在http中，始終都是客戶端發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求，服務(wù)器接受到請(qǐng)求之后，然后處理邏輯，處理完成之后再發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)，客戶端收到響應(yīng)數(shù)據(jù)，然后請(qǐng)求結(jié)束。在這個(gè)過(guò)程中，客戶端和服務(wù)器都可以對(duì)建立的連接進(jìn)行中斷操作。比如可以通過(guò)瀏覽器的停止按鈕。

http協(xié)議-請(qǐng)求

一個(gè)http協(xié)議的請(qǐng)求包含三部分：

  1. 方法 URI 協(xié)議/版本
  2. 請(qǐng)求的頭部
  3. 主體內(nèi)容

舉個(gè)例子

POST /examples/default.jsp HTTP/1.1
Accept: text/plain; text/html
Accept-Language: en-gb
Connection: Keep-Alive
Host: localhost
User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 4.01; Windows 98)
Content-Length: 33
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
Accept-Encoding: gzip, deflate

lastName=Franks&firstName=Michael

數(shù)據(jù)的第一行包括：方法、URI、協(xié)議和版本。在這個(gè)例子里，方法為POST，URI為/examples/default.jsp，協(xié)議為HTTP/1.1，協(xié)議版本號(hào)為1.1。他們之間通過(guò)空格來(lái)分離。
請(qǐng)求頭部從第二行開始，使用英文冒號(hào)（:）來(lái)分離鍵和值。
請(qǐng)求頭部和主體內(nèi)容之間通過(guò)空行來(lái)分離，例子中的請(qǐng)求體為表單數(shù)據(jù)。

http協(xié)議-響應(yīng)

類似于http協(xié)議的請(qǐng)求，響應(yīng)也包含三個(gè)部分。

  1. 協(xié)議 狀態(tài) 狀態(tài)描述
  2. 響應(yīng)的頭部
  3. 主體內(nèi)容

舉個(gè)例子

HTTP/1.1 200 OK
Server: Microsoft-IIS/4.0
Date: Mon, 5 Jan 2004 13:13:33 GMT
Content-Type: text/html
Last-Modified: Mon, 5 Jan 2004 13:13:12 GMT
Content-Length: 112

<html>
<head>
<title>HTTP Response Example</title> </head>
<body>
Welcome to Brainy Software
</body>
</html>

第一行，HTTP/1.1 200 OK表示協(xié)議、狀態(tài)和狀態(tài)描述。
之后表示響應(yīng)頭部。
響應(yīng)頭部和主體內(nèi)容之間使用空行來(lái)分離。

Socket

Socket，又叫套接字，是網(wǎng)絡(luò)連接的一個(gè)端點(diǎn)（end point）。套接字允許應(yīng)用程序從網(wǎng)絡(luò)中讀取和寫入數(shù)據(jù)。兩個(gè)不同計(jì)算機(jī)的不同進(jìn)程之間可以通過(guò)連接來(lái)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。A應(yīng)用要向B應(yīng)用發(fā)送數(shù)據(jù)，A應(yīng)用需要知道B應(yīng)用所在的IP地址和B應(yīng)用開放的套接字端口。java里面使用java.net.Socket來(lái)表示一個(gè)套接字。

java.net.Socket最常用的一個(gè)構(gòu)造方法為：public Socket(String host, int port);，host表示主機(jī)名或ip地址，port表示套接字端口。我們來(lái)看一個(gè)例子：

Socket socket = new Socket("127.0.0.1", "8080");
OutputStream os = socket.getOutputStream(); 
boolean autoflush = true;
PrintWriter out = new PrintWriter( socket.getOutputStream(), autoflush);
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputstream()));

// send an HTTP request to the web server 
out.println("GET /index.jsp HTTP/1.1"); 
out.println("Host: localhost:8080"); 
out.println("Connection: Close");
out.println();

// read the response
boolean loop = true;
StringBuffer sb = new StringBuffer(8096); 
while (loop) {
    if (in.ready()) { 
        int i=0;
        while (i != -1) {
            i = in.read();
            sb.append((char) i); 
        }
        loop = false;
    }
    Thread.currentThread().sleep(50L);
}

這兒通過(guò)socket.getOutputStream()來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，使用socket.getInputstream()來(lái)讀取數(shù)據(jù)。

ServerSocket

Socket表示一個(gè)客戶端套接字，任何時(shí)候如果你想發(fā)送或接受數(shù)據(jù)，都需要構(gòu)造創(chuàng)建一個(gè)Socket?，F(xiàn)在假如我們需要一個(gè)服務(wù)器端的應(yīng)用程序，我們需要額外考慮更多的東西。因?yàn)榉?wù)器需要隨時(shí)待命，它不清楚什么時(shí)候一個(gè)客戶端會(huì)連接到它。在java里面，我們可以通過(guò)java.net.ServerSocket來(lái)表示一個(gè)服務(wù)器套接字。
ServerSocket和Socket不同，它需要等待來(lái)自客戶端的連接。一旦有客戶端和其建立了連接，ServerSocket需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Socket來(lái)和客戶端進(jìn)行通信。
ServerSocket有很多的構(gòu)造方法，我們拿其中的一個(gè)來(lái)舉例子。

public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException;
new ServerSocket(8080, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));

  1. port表示端口
  2. backlog表示隊(duì)列的長(zhǎng)度
  3. bindAddr表示地址

我們這兒還是看一個(gè)例子。

  1. HttpServer表示一個(gè)服務(wù)器端入口，提供了一個(gè)main方法，并一直在8080端口等待，直到客戶端建立一個(gè)連接。這時(shí)，服務(wù)器通過(guò)生成一個(gè)Socket來(lái)對(duì)此連接進(jìn)行處理。
public class HttpServer {

  /** WEB_ROOT is the directory where our HTML and other files reside.
   *  For this package, WEB_ROOT is the "webroot" directory under the working
   *  directory.
   *  The working directory is the location in the file system
   *  from where the java command was invoked.
   */
  public static final String WEB_ROOT =
    System.getProperty("user.dir") + File.separator  + "webroot";

  // shutdown command
  private static final String SHUTDOWN_COMMAND = "/SHUTDOWN";

  // the shutdown command received
  private boolean shutdown = false;

  public static void main(String[] args) {
    HttpServer server = new HttpServer();
    server.await();
  }

  public void await() {
    ServerSocket serverSocket = null;
    int port = 8080;
    try {
      serverSocket =  new ServerSocket(port, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
    }
    catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
      System.exit(1);
    }

    // Loop waiting for a request
    while (!shutdown) {
      Socket socket = null;
      InputStream input = null;
      OutputStream output = null;
      try {
        socket = serverSocket.accept();
        input = socket.getInputStream();
        output = socket.getOutputStream();

        // create Request object and parse
        Request request = new Request(input);
        request.parse();

        // create Response object
        Response response = new Response(output);
        response.setRequest(request);
        response.sendStaticResource();

        // Close the socket
        socket.close();

        //check if the previous URI is a shutdown command
        shutdown = request.getUri().equals(SHUTDOWN_COMMAND);
      }
      catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
        continue;
      }
    }
  }
}
  1. Request對(duì)象主要完成幾件事情
    • 解析請(qǐng)求數(shù)據(jù)
    • 解析uri（請(qǐng)求數(shù)據(jù)第一行）
public class Request {

  private InputStream input;
  private String uri;

  public Request(InputStream input) {
    this.input = input;
  }

  public void parse() {
    // Read a set of characters from the socket
    StringBuffer request = new StringBuffer(2048);
    int i;
    byte[] buffer = new byte[2048];
    try {
      i = input.read(buffer);
    }
    catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
      i = -1;
    }
    for (int j=0; j<i; j++) {
      request.append((char) buffer[j]);
    }
    System.out.print(request.toString());
    uri = parseUri(request.toString());
  }

  private String parseUri(String requestString) {
    int index1, index2;
    index1 = requestString.indexOf(' ');
    if (index1 != -1) {
      index2 = requestString.indexOf(' ', index1 + 1);
      if (index2 > index1)
        return requestString.substring(index1 + 1, index2);
    }
    return null;
  }

  public String getUri() {
    return uri;
  }

}
  1. Response主要是向客戶端發(fā)送文件內(nèi)容（如果請(qǐng)求的uri指向的文件存在）。
public class Response {

  private static final int BUFFER_SIZE = 1024;
  Request request;
  OutputStream output;

  public Response(OutputStream output) {
    this.output = output;
  }

  public void setRequest(Request request) {
    this.request = request;
  }

  public void sendStaticResource() throws IOException {
    byte[] bytes = new byte[BUFFER_SIZE];
    FileInputStream fis = null;
    try {
      File file = new File(HttpServer.WEB_ROOT, request.getUri());
      if (file.exists()) {
        fis = new FileInputStream(file);
        int ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
        while (ch!=-1) {
          output.write(bytes, 0, ch);
          ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
        }
      }
      else {
        // file not found
        String errorMessage = "HTTP/1.1 404 File Not Found\r\n" +
          "Content-Type: text/html\r\n" +
          "Content-Length: 23\r\n" +
          "\r\n" +
          "<h1>File Not Found</h1>";
        output.write(errorMessage.getBytes());
      }
    }
    catch (Exception e) {
      // thrown if cannot instantiate a File object
      System.out.println(e.toString() );
    }
    finally {
      if (fis!=null)
        fis.close();
    }
  }
}

總結(jié)

在看了上面的例子之后，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，在Java里面實(shí)現(xiàn)一個(gè)web服務(wù)器真TM容易，代碼也非常簡(jiǎn)單和清晰！

既然我們能很簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)web服務(wù)器，為啥我們還需要tomcat呢？它又給我們帶來(lái)了哪些組件和特性呢，它又是怎么組裝這些組件的呢，后續(xù)章節(jié)我們將逐層扒開tomcat的各件漂亮的“大衣”。

這是我們后面將要分析的內(nèi)容，讓我們拭目以待！

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