内置 Tomcat 容器在 SpringBoot 中是如何启动的?

内置 Tomcat 容器在 SpringBoot 中是如何启动的?

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1.前言

我们知道 SpringBoot 给我们带来了一个全新的开发体验, 我们可以直接把 web 程序达成 jar 包, 直接启动, 这就得益于 SpringBoot 内置了容器, 可以直接启动, 本文将以 Tomcat 为例, 来看看 SpringBoot 是如何启动 Tomcat 的, 同时也将展开学习下 Tomcat 的源码, 了解 Tomcat 的设计。

用过SpringBoot的人都知道, 首先要写一个main方法来启动:

@SpringBootApplication
public class TomcatdebugApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(TomcatdebugApplication.class, args);
    }

}

我们直接点击 run 方法的源码, 跟踪下来, 发下最终的 run 方法是调用 ConfigurableApplicationContext 方法, 源码如下:

public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {
  StopWatch stopWatch = new StopWatch();
  stopWatch.start();
  ConfigurableApplicationContext context = null;
  Collection<springbootexceptionreporter> exceptionReporters = new ArrayList<>();
  //设置系统属性『java.awt.headless』,为true则启用headless模式支持
  configureHeadlessProperty();
  //通过*SpringFactoriesLoader*检索*META-INF/spring.factories*,
       //找到声明的所有SpringApplicationRunListener的实现类并将其实例化,
       //之后逐个调用其started()方法,广播SpringBoot要开始执行了
  SpringApplicationRunListeners listeners = getRunListeners(args);
  //发布应用开始启动事件
  listeners.starting();
  try {
  //初始化参数
   ApplicationArguments applicationArguments = new DefaultApplicationArguments(args);
   //创建并配置当前SpringBoot应用将要使用的Environment(包括配置要使用的PropertySource以及Profile),
        //并遍历调用所有的SpringApplicationRunListener的environmentPrepared()方法,广播Environment准备完毕。
   ConfigurableEnvironment environment = prepareEnvironment(listeners, applicationArguments);
   configureIgnoreBeanInfo(environment);
   //打印banner
   Banner printedBanner = printBanner(environment);
   //创建应用上下文
   context = createApplicationContext();
   //通过*SpringFactoriesLoader*检索*META-INF/spring.factories*,获取并实例化异常分析器
   exceptionReporters = getSpringFactoriesInstances(SpringBootExceptionReporter.class,
     new Class[] { ConfigurableApplicationContext.class }, context);
   //为ApplicationContext加载environment,之后逐个执行ApplicationContextInitializer的initialize()方法来进一步封装ApplicationContext,
        //并调用所有的SpringApplicationRunListener的contextPrepared()方法,【EventPublishingRunListener只提供了一个空的contextPrepared()方法】,
        //之后初始化IoC容器,并调用SpringApplicationRunListener的contextLoaded()方法,广播ApplicationContext的IoC加载完成,
        //这里就包括通过**@EnableAutoConfiguration**导入的各种自动配置类。
   prepareContext(context, environment, listeners, applicationArguments, printedBanner);
   //刷新上下文
   refreshContext(context);
   //再一次刷新上下文,其实是空方法,可能是为了后续扩展。
   afterRefresh(context, applicationArguments);
   stopWatch.stop();
   if (this.logStartupInfo) {
    new StartupInfoLogger(this.mainApplicationClass).logStarted(getApplicationLog(), stopWatch);
   }
   //发布应用已经启动的事件
   listeners.started(context);
   //遍历所有注册的ApplicationRunner和CommandLineRunner,并执行其run()方法。
        //我们可以实现自己的ApplicationRunner或者CommandLineRunner,来对SpringBoot的启动过程进行扩展。
   callRunners(context, applicationArguments);
  }
  catch (Throwable ex) {
   handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, listeners);
   throw new IllegalStateException(ex);
  }

  try {
  //应用已经启动完成的监听事件
   listeners.running(context);
  }
  catch (Throwable ex) {
   handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, null);
   throw new IllegalStateException(ex);
  }
  return context;
 }

其实这个方法我们可以简单的总结下步骤为 > 1. 配置属性 > 2. 获取监听器, 发布应用开始启动事件 > 3. 初始化输入参数 > 4. 配置环境, 输出banner > 5. 创建上下文 > 6. 预处理上下文 > 7. 刷新上下文 > 8. 再刷新上下文 > 9. 发布应用已经启动事件 > 10. 发布应用启动完成事件

其实上面这段代码, 如果只要分析 tomcat 内容的话, 只需要关注两个内容即可, 上下文是如何创建的, 上下文是如何刷新的, 分别对应的方法就是 createApplicationContext() 和 refreshContext(context), 接下来我们来看看这两个方法做了什么。

protected ConfigurableApplicationContext createApplicationContext() {
  Class<!--?--> contextClass = this.applicationContextClass;
  if (contextClass == null) {
   try {
    switch (this.webApplicationType) {
    case SERVLET:
     contextClass = Class.forName(DEFAULT_SERVLET_WEB_CONTEXT_CLASS);
     break;
    case REACTIVE:
     contextClass = Class.forName(DEFAULT_REACTIVE_WEB_CONTEXT_CLASS);
     break;
    default:
     contextClass = Class.forName(DEFAULT_CONTEXT_CLASS);
    }
   }
   catch (ClassNotFoundException ex) {
    throw new IllegalStateException(
      "Unable create a default ApplicationContext, " + "please specify an ApplicationContextClass",
      ex);
   }
  }
  return (ConfigurableApplicationContext) BeanUtils.instantiateClass(contextClass);
 }

这里就是根据我们的 webApplicationType 来判断创建哪种类型的 Servlet,代码中分别对应着 Web 类型(SERVLET),响应式 Web 类型(REACTIVE),非 Web 类型(default),我们建立的是 Web 类型, 所以肯定实例化 DEFAULT_SERVLET_WEB_CONTEXT_CLASS 指定的类, 也就是AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext 类, 我们来用图来说明下这个类的关系:

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通过这个类图我们可以知道, 这个类继承的是ServletWebServerApplicationContext,这就是我们真正的主角, 而这个类最终是继承了AbstractApplicationContext, 了解完创建上下文的情况后, 我们再来看看刷新上下文, 相关代码如下:

//类:SpringApplication.java

private void refreshContext(ConfigurableApplicationContext context) {
    //直接调用刷新方法
  refresh(context);
  if (this.registerShutdownHook) {
   try {
    context.registerShutdownHook();
   }
   catch (AccessControlException ex) {
    // Not allowed in some environments.
   }
  }
 }
//类:SpringApplication.java

protected void refresh(ApplicationContext applicationContext) {
  Assert.isInstanceOf(AbstractApplicationContext.class, applicationContext);
  ((AbstractApplicationContext) applicationContext).refresh();
 }

这里还是直接传递调用本类的 refresh(context) 方法, 最后是强转成父类 AbstractApplicationContext 调用其 refresh() 方法,该代码如下:

// 类:AbstractApplicationContext
public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
  synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
   // Prepare this context for refreshing.
   prepareRefresh();

   // Tell the subclass to refresh the internal bean factory.
   ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();

   // Prepare the bean factory for use in this context.
   prepareBeanFactory(beanFactory);

   try {
    // Allows post-processing of the bean factory in context subclasses.
    postProcessBeanFactory(beanFactory);

    // Invoke factory processors registered as beans in the context.
    invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);

    // Register bean processors that intercept bean creation.
    registerBeanPostProcessors(beanFactory);

    // Initialize message source for this context.
    initMessageSource();

    // Initialize event multicaster for this context.
    initApplicationEventMulticaster();

    // Initialize other special beans in specific context subclasses.这里的意思就是调用各个子类的onRefresh()
    onRefresh();

    // Check for listener beans and register them.
    registerListeners();

    // Instantiate all remaining (non-lazy-init) singletons.
    finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

    // Last step: publish corresponding event.
    finishRefresh();
   }

   catch (BeansException ex) {
    if (logger.isWarnEnabled()) {
     logger.warn("Exception encountered during context initialization - " +
       "cancelling refresh attempt: " + ex);
    }

    // Destroy already created singletons to avoid dangling resources.
    destroyBeans();

    // Reset 'active' flag.
    cancelRefresh(ex);

    // Propagate exception to caller.
    throw ex;
   }

   finally {
    // Reset common introspection caches in Spring's core, since we
    // might not ever need metadata for singleton beans anymore...
    resetCommonCaches();
   }
  }
 }

这里我们看到 onRefresh() 方法是调用其子类的实现, 根据我们上文的分析, 我们这里的子类是 ServletWebServerApplicationContext。

//类:ServletWebServerApplicationContext
protected void onRefresh() {
  super.onRefresh();
  try {
   createWebServer();
  }
  catch (Throwable ex) {
   throw new ApplicationContextException("Unable to start web server", ex);
  }
 }
 
private void createWebServer() {
  WebServer webServer = this.webServer;
  ServletContext servletContext = getServletContext();
  if (webServer == null && servletContext == null) {
   ServletWebServerFactory factory = getWebServerFactory();
   this.webServer = factory.getWebServer(getSelfInitializer());
  }
  else if (servletContext != null) {
   try {
    getSelfInitializer().onStartup(servletContext);
   }
   catch (ServletException ex) {
    throw new ApplicationContextException("Cannot initialize servlet context", ex);
   }
  }
  initPropertySources();
 }

到这里, 其实庐山真面目已经出来了, createWebServer() 就是启动 web 服务, 但是还没有真正启动 Tomcat, 既然 webServer 是通过 ServletWebServerFactory 来获取的, 我们就来看看这个工厂的真面目。

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3.走进 Tomcat 内部

根据上图我们发现, 工厂类是一个接口, 各个具体服务的实现是由各个子类来实现的, 所以我们就去看看 TomcatServletWebServerFactory.getWebServer() 的实现。

@Override
public WebServer getWebServer(ServletContextInitializer... initializers) {
 Tomcat tomcat = new Tomcat();
 File baseDir = (this.baseDirectory != null) ? this.baseDirectory : createTempDir("tomcat");
 tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath());
 Connector connector = new Connector(this.protocol);
 tomcat.getService().addConnector(connector);
 customizeConnector(connector);
 tomcat.setConnector(connector);
 tomcat.getHost().setAutoDeploy(false);
 configureEngine(tomcat.getEngine());
 for (Connector additionalConnector : this.additionalTomcatConnectors) {
  tomcat.getService().addConnector(additionalConnector);
 }
 prepareContext(tomcat.getHost(), initializers);
 return getTomcatWebServer(tomcat);
}

根据上面的代码, 我们发现其主要做了两件事情, 第一件事就是把 Connnctor(我们称之为连接器)对象添加到 Tomcat 中, 第二件事就是 configureEngine,这连接器我们勉强能理解(不理解后面会述说), 那这个 Engine 是什么呢?我们查看 tomcat.getEngine() 的源码:

public Engine getEngine() {
  Service service = getServer().findServices()[0];
    if (service.getContainer() != null) {
        return service.getContainer();
    }
  Engine engine = new StandardEngine();
  engine.setName( "Tomcat" );
  engine.setDefaultHost(hostname);
  engine.setRealm(createDefaultRealm());
  service.setContainer(engine);
  return engine;
}

根据上面的源码, 我们发现, 原来这个Engine是容器, 我们继续跟踪源码, 找到Container接口

内置 Tomcat 容器在 SpringBoot 中是如何启动的?

上图中, 我们看到了 4 个子接口, 分别是 Engine,Host,Context,Wrapper。我们从继承关系上可以知道他们都是容器, 那么他们到底有啥区别呢?我看看他们的注释是怎么说的。

 /**
 If used, an Engine is always the top level Container in a Catalina
 * hierarchy. Therefore, the implementation's <code>setParent()</code> method
 * should throw <code>IllegalArgumentException</code>.
 *
 * @author Craig R. McClanahan
 */
public interface Engine extends Container {
    //省略代码
}
/**
 * <p>
 * The parent Container attached to a Host is generally an Engine, but may
 * be some other implementation, or may be omitted if it is not necessary.
 * </p><p>
 * The child containers attached to a Host are generally implementations
 * of Context (representing an individual servlet context).
 *
 * @author Craig R. McClanahan
 */
public interface Host extends Container {
//省略代码
    
}
/*** </p><p>
 * The parent Container attached to a Context is generally a Host, but may
 * be some other implementation, or may be omitted if it is not necessary.
 * </p><p>
 * The child containers attached to a Context are generally implementations
 * of Wrapper (representing individual servlet definitions).
 * </p><p>
 *
 * @author Craig R. McClanahan
 */
public interface Context extends Container, ContextBind {
    //省略代码
}
/**</p><p>
 * The parent Container attached to a Wrapper will generally be an
 * implementation of Context, representing the servlet context (and
 * therefore the web application) within which this servlet executes.
 * </p><p>
 * Child Containers are not allowed on Wrapper implementations, so the
 * <code>addChild()</code> method should throw an
 * <code>IllegalArgumentException</code>.
 *
 * @author Craig R. McClanahan
 */
public interface Wrapper extends Container {

    //省略代码
}

上面的注释翻译过来就是, Engine 是最高级别的容器, 其子容器是 Host,Host 的子容器是 Context,Wrapper 是 Context 的子容器, 所以这 4 个容器的关系就是父子关系, 也就是 Engine>Host>Context>Wrapper。我们再看看 Tomcat 类的源码:

//部分源码,其余部分省略。
public class Tomcat {
//设置连接器
     public void setConnector(Connector connector) {
        Service service = getService();
        boolean found = false;
        for (Connector serviceConnector : service.findConnectors()) {
            if (connector == serviceConnector) {
                found = true;
            }
        }
        if (!found) {
            service.addConnector(connector);
        }
    }
    //获取service
       public Service getService() {
        return getServer().findServices()[0];
    }
    //设置Host容器
     public void setHost(Host host) {
        Engine engine = getEngine();
        boolean found = false;
        for (Container engineHost : engine.findChildren()) {
            if (engineHost == host) {
                found = true;
            }
        }
        if (!found) {
            engine.addChild(host);
        }
    }
    //获取Engine容器
     public Engine getEngine() {
        Service service = getServer().findServices()[0];
        if (service.getContainer() != null) {
            return service.getContainer();
        }
        Engine engine = new StandardEngine();
        engine.setName( "Tomcat" );
        engine.setDefaultHost(hostname);
        engine.setRealm(createDefaultRealm());
        service.setContainer(engine);
        return engine;
    }
    //获取server
       public Server getServer() {

        if (server != null) {
            return server;
        }

        System.setProperty("catalina.useNaming", "false");

        server = new StandardServer();

        initBaseDir();

        // Set configuration source
        ConfigFileLoader.setSource(new CatalinaBaseConfigurationSource(new File(basedir), null));

        server.setPort( -1 );

        Service service = new StandardService();
        service.setName("Tomcat");
        server.addService(service);
        return server;
    }
    
    //添加Context容器
      public Context addContext(Host host, String contextPath, String contextName,
            String dir) {
        silence(host, contextName);
        Context ctx = createContext(host, contextPath);
        ctx.setName(contextName);
        ctx.setPath(contextPath);
        ctx.setDocBase(dir);
        ctx.addLifecycleListener(new FixContextListener());

        if (host == null) {
            getHost().addChild(ctx);
        } else {
            host.addChild(ctx);
        }
        
    //添加Wrapper容器
         public static Wrapper addServlet(Context ctx,
                                      String servletName,
                                      Servlet servlet) {
        // will do class for name and set init params
        Wrapper sw = new ExistingStandardWrapper(servlet);
        sw.setName(servletName);
        ctx.addChild(sw);

        return sw;
    }
    
}

阅读 Tomcat 的 getServer() 我们可以知道, Tomcat 的最顶层是 Server,Server 就是 Tomcat 的实例, 一个 Tomcat 一个 Server;通过 getEngine() 我们可以了解到 Server 下面是 Service, 而且是多个, 一个 Service 代表我们部署的一个应用, 而且我们还可以知道, Engine 容器, 一个 service 只有一个;根据父子关系, 我们看 setHost() 源码可以知道, host 容器有多个;同理, 我们发现 addContext() 源码下, Context 也是多个;addServlet() 表明 Wrapper 容器也是多个, 而且这段代码也暗示了, 其实 Wrapper 和 Servlet 是一层意思。

另外我们根据 setConnector 源码可以知道, 连接器 (Connector) 是设置在 service 下的, 而且是可以设置多个连接器 (Connector)。

根据上面分析, 我们可以小结下:Tomcat 主要包含了 2 个核心组件, 连接器(Connector)和容器(Container),用图表示如下:

内置 Tomcat 容器在 SpringBoot 中是如何启动的?

一个 Tomcat 是一个 Server,一个 Server 下有多个 service, 也就是我们部署的多个应用, 一个应用下有多个连接器(Connector)和一个容器(Container),容器下有多个子容器, 关系用图表示如下:

内置 Tomcat 容器在 SpringBoot 中是如何启动的?

Engine 下有多个 Host 子容器, Host 下有多个 Context 子容器, Context 下有多个 Wrapper 子容器。

SpringBoot 的启动是通过 new SpringApplication() 实例来启动的, 启动过程主要做如下几件事情:> 1. 配置属性 > 2. 获取监听器, 发布应用开始启动事件 > 3. 初始化输入参数 > 4. 配置环境, 输出banner > 5. 创建上下文 > 6. 预处理上下文 > 7. 刷新上下文 > 8. 再刷新上下文 > 9. 发布应用已经启动事件 > 10. 发布应用启动完成事件

而启动 Tomcat 就是在第7步中“刷新上下文”;Tomcat 的启动主要是初始化 2 个核心组件, 连接器(Connector)和容器(Container), 一个 Tomcat 实例就是一个 Server, 一个 Server 包含多个 Service, 也就是多个应用程序, 每个 Service 包含多个连接器(Connetor)和一个容器(Container),而容器下又有多个子容器, 按照父子关系分别为:Engine,Host,Context,Wrapper, 其中除了 Engine 外, 其余的容器都是可以有多个。

好啦,小伙伴们周末愉快~

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