【0~1】实现一个精简版的Tomcat服务器

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《To Kill a Mockingbird》

01 Tomcat 介绍

Tomcat 是一个开源的 Java 应用服务器，主要用来运行基于 Servlet 和 JSP 技术的 Web 应用。Tomcat 实现了 Servlet 规范和 JSP 规范，因此它可以理解和处理 Servlet 和 JSP 的请求。

Tomcat 的架构组件

Tomcat 的架构包含以下几个核心组件：

Connector（连接器）：负责网络通信，接收 HTTP 请求，并将请求转发给 Engine 进行处理。Tomcat 支持多种协议的连接器，如 HTTP 和 AJP。典型的 HTTP 连接器使用 Coyote 组件实现。
Engine（引擎）：处理具体的请求，通过 Pipeline 和 Valve 机制对请求进行预处理，然后根据请求的 URL，将其路由到对应的 Host 和 Context。
Host（主机）：代表一个虚拟主机（类似于 Apache HTTP Server 中的虚拟主机），允许一个 Tomcat 实例管理多个不同的站点。每个 Host 可以包含多个 Context。
Context（上下文）：代表一个 Web 应用（通常对应一个 WAR 文件），每个 Context 处理一个 Web 应用的请求。它是 Web 应用的基本单位，也是 Servlet 容器的具体工作区域。
Servlet：业务逻辑的具体处理者，Tomcat 通过 Servlet 规范对 Web 请求进行处理。每个 Context 中有多个 Servlet 来处理不同路径下的请求。
Pipeline（管道）与 Valve（阀）：Pipeline 是请求处理的责任链，包含多个 Valve。每个 Valve 可以对请求进行处理或过滤，类似于一系列的拦截器。Tomcat 的请求处理过程通过一系列 Valve 进行过滤和拦截，最终进入 Servlet 进行处理。

Tomcat 的启动流程

Tomcat 的启动流程主要包括以下步骤：

加载配置文件：Tomcat 的启动过程首先会加载 server.xml 配置文件，该文件定义了 Connector、Engine、Host、Context 等各个组件的配置信息。
初始化 Server：Tomcat 的主类 org.apache.catalina.startup.Bootstrap 启动，创建 Server 实例。Server 负责管理整个服务器的生命周期。
初始化 Service：Server 启动时，会初始化一个或多个 Service，每个 Service 包含一个 Engine 和多个 Connector。
初始化 Connector 和 Engine：每个 Connector 会初始化一个网络端口，并开始监听客户端请求。同时，Engine 负责请求的实际处理，将请求路由到正确的 Host 和 Context。
启动连接器并开始监听：当所有组件初始化完毕后，Tomcat 开始监听端口，准备处理客户端的请求。

Tomcat 的请求处理流程

Tomcat 的请求处理流程分为以下几个主要步骤：

接收 HTTP 请求：当用户发送 HTTP 请求时，Tomcat 的 Connector 负责监听指定端口，并将接收到的请求转换为 Request 和 Response 对象。Coyote 组件作为 Tomcat 的 HTTP 连接器，负责解析 HTTP 请求，并封装成 HttpServletRequest 和 HttpServletResponse 对象，传递给 Engine。
通过 Engine 处理请求：Engine 接收请求后，会根据请求的 URL 查找对应的 Host。
选择合适的 Host：Engine 会根据请求的域名（如 www.example.com），选择对应的 Host 进行处理。如果匹配失败，会返回默认的 Host。
定位到 Context：Host 再根据 URL 的路径部分，选择合适的 Context 处理请求。Context 通常对应一个 Web 应用（如 /app），代表 Servlet 容器的工作环境。
选择合适的 Servlet：Context 根据 web.xml 或注解中定义的 URL 模式（如 /hello），将请求路由到具体的 Servlet。
Servlet 处理请求：Tomcat 调用 Servlet 的 service() 方法，处理请求逻辑。根据请求的 HTTP 方法，service() 方法会进一步调用 doGet()、doPost() 等具体的处理方法。
生成 HTTP 响应：Servlet 处理完业务逻辑后，将结果写入 HttpServletResponse 对象中，Connector 负责将响应返回给客户端。

Pipeline 与 Valve 的处理流程

Tomcat 的请求处理流程中，Pipeline 和 Valve 机制用于在请求和响应之间添加多个处理步骤。这种设计模式类似于拦截器链，每个 Valve 可以对请求或响应进行拦截、修改或监控。

Pipeline：每个 Container（例如 Engine、Host、Context）都有一个 Pipeline，其内部包含多个 Valve。Pipeline 负责将请求从一个 Valve 传递到下一个 Valve。
Valve：Valve 是 Pipeline 的处理单元，每个 Valve 都可以对请求和响应进行预处理。例如：
- 安全检查（验证用户权限）
- 记录访问日志
- 压缩响应数据等

在 Valve 处理完后，最后会调用 Servlet 来处理具体的业务逻辑。

Tomcat 的生命周期管理

Tomcat 的各个组件（Server、Service、Connector、Engine、Host、Context）都有自己的生命周期管理，遵循 Lifecycle 接口。典型的生命周期事件包括：

init()：初始化组件。
start()：启动组件，使其开始工作。
stop()：停止组件，释放资源。
destroy()：销毁组件，完全清除其占用的资源。

Tomcat 使用 LifecycleListener 来监听和管理组件的生命周期，当某个组件的状态发生变化时，Tomcat 会通知所有相关的 LifecycleListener，以便进行相应的处理。

线程模型与并发处理

Tomcat 采用线程池来处理多个请求：

每当有请求进来时，Connector 会从线程池中获取一个线程处理该请求。
处理完请求后，线程会被归还到线程池中，以供下一个请求使用。

这种线程池的机制提升了并发处理能力，使得 Tomcat 可以同时处理大量请求。Tomcat 默认使用 NIO 模型，可以通过 server.xml 中的 Connector 配置文件调整线程池大小和处理模式。

02 实现一个简易的Tomcat

基于 Tomcat 的原理理解和执行流程分析，我们大概能理出这么一条逻辑：Tomcat 启动时注册 Servlet，每个 Servlet 对应一个请求路径；接收请求，获取请求协议内容（方法、路径等等）；根据逻辑判断，将请求交给不同的 Servlet 处理；不同的 Servlet 返回不同的结果。

所以一个简易的 Tomcat 服务器代码如下：

定义 servlet，做具体的请求逻辑处理。

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;

public interface Servlet {
    void service(OutputStream output) throws IOException;
}

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;

public class HelloServlet implements Servlet{
    @Override
    public void service(OutputStream output) throws IOException {
        String response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
                "Content-Type: text/html\r\n" +
                "\r\n" +
                "<h1>Hello from HelloServlet!</h1>";
        output.write(response.getBytes());
    }
}

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.util.Date;

public class TimeServlet implements Servlet{
    @Override
    public void service(OutputStream output) throws IOException {
        String response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
                "Content-Type: text/html\r\n" +
                "\r\n" +
                "<h1>Current Time: " + new Date() + "</h1>";
        output.write(response.getBytes());
    }
}

定义 container，对请求做分发，根据条件，不同的请求分发到不同的 servlet 上。

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class SimpleServletContainer {
    private Map<String, Servlet> servletMapping = new HashMap<>();

    // 初始化时将Servlet注册到路径
    public SimpleServletContainer() {
        servletMapping.put("/hello", new HelloServlet());
        servletMapping.put("/time", new TimeServlet());
    }

    public void handleRequest(String path, OutputStream output) throws IOException {
        Servlet servlet = servletMapping.get(path);
        if (servlet != null) {
            servlet.service(output);
        } else {
            String response = "HTTP/1.1 404 Not Found\r\n" +
                    "Content-Type: text/html\r\n" +
                    "\r\n" +
                    "<h1>404 Not Found</h1>";
            output.write(response.getBytes());
        }
    }
}

定义 server，用于接收请求，并通过 container 分发请求。

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class SimpleHttpServerWithServlet {
    private static final int PORT = 8080;
    private static SimpleServletContainer servletContainer = new SimpleServletContainer();

    public static void main(String[] args) {
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT)) {
            System.out.println("Server is listening on port " + PORT);

            while (true) {
                Socket socket = serverSocket.accept();
                handleRequest(socket);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void handleRequest(Socket socket) {
        try (InputStream input = socket.getInputStream();
             OutputStream output = socket.getOutputStream();
             BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input))) {

            // 读取请求行
            String requestLine = reader.readLine();
            System.out.println("Request: " + requestLine);

            // 解析HTTP请求方法和路径
            String[] requestParts = requestLine.split(" ");
            String method = requestParts[0];
            String path = requestParts[1];

            // 通过Servlet容器处理请求
            if (method.equals("GET")) {
                servletContainer.handleRequest(path, output);
            } else {
                String response = "HTTP/1.1 405 Method Not Allowed\r\n" +
                        "Content-Type: text/html\r\n" +
                        "\r\n" +
                        "<h1>405 Method Not Allowed</h1>";
                output.write(response.getBytes());
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上就实现了一个简易的 Tomcat 服务器，能基本实现对 http 请求的处理。

当我们访问 localhost:8080/hello 时，返回
在这里插入图片描述
当我们访问 localhost:8080/time 时，返回

当我们用post请求时，直接显示
在这里插入图片描述

03 总结

Tomcat 是一个基于 Java 的轻量级应用服务器，通过 Connector 接收请求，通过 Engine、Host 和 Context 来路由请求，最终由 Servlet 处理。整个请求处理过程遵循 Pipeline 和 Valve 的拦截机制，同时 Tomcat 通过线程池和非阻塞 IO 技术来提高并发处理能力。

通过了解 Tomcat 基本原理和执行流程，我们手动实现了一个简易版的 Tomcat 服务器，并成功运行。

希望这篇文章能给到你一些小小的帮助，也不枉你花费时间来阅读~

Peace & Love