Spring Boot整合Tomcat底层源码分析

引言

Spring Boot是一个用于快速构建基于Spring框架的应用程序的开源框架。它通过自动配置和起步依赖等特性，大大简化了Spring应用的开发和部署过程。本文将深入探讨Spring Boot的背景历史、业务场景、功能点以及底层原理，并通过Java代码手写模拟Spring Boot的启动过程，特别是其与Tomcat的整合。

一、Spring Boot的背景历史

1.1 Spring Boot的起源与发展

Spring Boot由Pivotal团队开发，最早于2014年发布。其目标是简化Spring应用的开发和部署，通过自动配置和起步依赖等特性，减少开发人员在配置文件上花费的时间和精力。

起源与早期发展（2013-2014年）：
2013年，Spring Boot开始开发，2014年4月，Spring Boot 1.0.0正式发布，引入了核心特性如自动配置、起步依赖、命令行界面（CLI）等。
逐步成熟（2015-2017年）：
2015年，Spring Boot 1.2和1.3版本相继发布，带来了更多的功能和改进。2016年，Spring Boot 1.4版本发布，进一步优化了性能和稳定性。2017年，Spring Boot 2.0发布，基于Spring Framework 5构建，支持Java 8及以上版本，并引入了响应式编程等新特性。
持续发展（2018年至今）：
2018年及以后，Spring Boot不断进行小版本的更新和改进，以适应不断变化的技术需求。它在云原生应用开发、容器化部署、Serverless架构等方面发挥着重要作用。同时，Spring Boot的生态系统也在不断壮大，有越来越多的插件和工具可供选择。

1.2 Spring Boot的核心特点

Spring Boot的核心特点可以概括为以下几点：

约定大于配置：Spring Boot通过提供大量默认配置，减少了开发人员的配置工作量。
起步依赖：Spring Boot提供了一系列的起步依赖，方便快速引入所需的库和框架。
自动配置：Spring Boot能根据类路径中的依赖和环境自动配置Spring应用程序。
内嵌服务器：Spring Boot内置了Tomcat、Jetty或Undertow等服务器，应用可以直接运行在这些服务器上。
生产就绪：Spring Boot提供了一些生产环境中的监控、健康检查、日志管理等功能。

二、Spring Boot的业务场景与功能点

2.1 业务场景

Spring Boot适用于多种业务场景，包括但不限于：

微服务架构：Spring Boot适用于构建和部署微服务，可以快速创建独立的、可独立部署的微服务应用程序。
RESTful API开发：Spring Boot提供了丰富的支持和简化开发RESTful API的工具和功能。
Web应用程序开发：Spring Boot支持开发各种Web应用程序，如单页应用程序、多页应用程序、网站等。
批处理应用程序：Spring Boot提供了对批处理应用程序的支持，包括任务调度、处理大数据量、事务管理等。
数据访问：Spring Boot简化了与数据库和其他数据源的集成，通过自动配置和起步依赖简化了数据访问层的开发。
云原生应用程序：Spring Boot适用于构建和部署云原生应用程序，和容器化应用程序的开发和管理。

2.2 功能点

Spring Boot的功能点非常丰富，包括但不限于：

自动配置：根据classpath下的依赖和配置文件的内容，自动为应用程序进行配置。
起步依赖：提供了一系列的起步依赖，用于快速引入常见的第三方库和框架。
内嵌服务器：内置了Tomcat、Jetty、Undertow等多个服务器，开发者可以将应用程序打包成可执行的JAR或WAR文件，直接运行。
监控和管理：提供了一些监控和管理的工具，可以帮助开发人员实时监控和管理应用程序的运行状态。
外部化配置：支持外部化配置，可以通过配置文件、环境变量等方式灵活地配置应用程序。
数据访问：简化了与数据库和其他数据源的集成，通过自动配置和起步依赖简化了数据访问层的开发。

三、Spring Boot整合Tomcat的底层原理

3.1 Spring Boot与Tomcat的整合方式

Spring Boot可以通过以下两种方式整合Tomcat：

使用内置Tomcat：Spring Boot默认内置了Tomcat服务器，在开发和生产环境中可以直接使用。打包时，将Tomcat与项目代码一起打包成一个可执行的jar文件，然后通过命令直接运行该jar文件来启动服务器。
使用外置Tomcat：将Spring Boot项目打包为war并部署到传统的Tomcat服务器中。

3.2 底层源码分析

3.2.1 配置Tomcat

在Spring Boot中，可以通过在配置文件中配置端口号、上下文路径、Session超时时间等来定制内嵌Tomcat服务器的配置。例如，在application.properties或application.yml文件中进行如下配置：

properties复制代码
server.port=8080
server.servlet.context-path=/myapp
server.servlet.session.timeout=30m

在Spring Boot的源码中，这些配置会被读取并应用到Tomcat服务器实例上。具体来说，TomcatEmbeddedServletContainerFactory类负责创建和配置Tomcat服务器实例。

3.2.2 加载Servlet

在Spring Boot中，可以使用@ServletComponentScan注解来加载Servlet、Filter和Listener。在应用启动时，Spring Boot会自动扫描@ServletComponentScan注解指定的包，查找并注册Servlet、Filter和Listener。

例如，定义一个Servlet：

java复制代码
@WebServlet(urlPatterns = "/myservlet")
public class MyServlet extends HttpServlet {
// Servlet实现
}

在Spring Boot的源码中，ServletRegistrationBean、FilterRegistrationBean和ServletContextInitializer等类负责将Servlet、Filter和Listener注册到Tomcat中。

3.2.3 实现Tomcat的自动配置

Spring Boot提供了一个名为EmbeddedServletContainerAutoConfiguration的自动配置类，它根据应用中所包含的类库和配置信息来自动配置内嵌的Servlet容器。具体来说，该类会检查类路径中是否存在Tomcat、Jetty或Undertow等服务器的依赖，并根据存在的依赖自动配置相应的Servlet容器。

在自动配置过程中，Spring Boot会扫描应用中所有的Servlet、Filter和Listener，然后根据这些组件的注解信息生成对应的ServletRegistrationBean、FilterRegistrationBean和ServletContextInitializer对象，最终将这些组件注册到Tomcat中。

3.2.4 启动Tomcat

在Spring Boot中，可以使用SpringApplication类来启动Tomcat。在SpringApplication的run方法中，会创建并启动Tomcat服务器实例。

具体来说，SpringApplication会执行以下步骤来启动Tomcat：

创建Spring应用上下文：SpringApplication会创建一个AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext实例，作为Spring应用上下文。
加载自动配置类：SpringApplication会加载EmbeddedServletContainerAutoConfiguration等自动配置类，并根据这些配置类来配置Spring应用。
注册Servlet组件：SpringApplication会扫描应用中的Servlet、Filter和Listener，并将它们注册到Tomcat中。
启动Tomcat服务器：最后，SpringApplication会将配置好的Tomcat服务器实例启动起来，并开始处理HTTP请求。

四、手写模拟Spring Boot启动过程

下面我们通过Java代码手写模拟Spring Boot的启动过程，特别是其与Tomcat的整合。

4.1 创建一个Spring Boot项目

首先，我们创建一个标准的Spring Boot项目结构，包括src/main/java、src/main/resources等目录。

4.2 定义启动类

在src/main/java目录下，定义一个启动类，并使用@SpringBootApplication注解标记：

java复制代码
package com.example.demo;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
@SpringBootApplication
public class DemoApplication {
public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
    }
}

4.3 配置Tomcat

在src/main/resources目录下的application.properties文件中，配置Tomcat的相关属性：

properties复制代码
server.port=8080
server.servlet.context-path=/myapp
server.servlet.session.timeout=30m

4.4 定义Servlet

在src/main/java目录下，定义一个Servlet类：

java复制代码
package com.example.demo.servlet;
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.annotation.WebServlet;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.IOException;
@WebServlet(urlPatterns = "/hello")
public class HelloServlet extends HttpServlet {
@Override
protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        resp.getWriter().write("Hello, Spring Boot with Tomcat!");
    }
}

4.5 模拟Spring Boot启动过程

接下来，我们手写模拟Spring Boot的启动过程。首先，我们需要创建一个自定义的SpringApplication类，并在其中实现Tomcat的启动逻辑。

4.5.1 创建自定义`SpringApplication`类

在src/main/java目录下，创建一个自定义的SpringApplication类：

java复制代码
package com.example.demo;
import org.apache.catalina.LifecycleException;
import org.apache.catalina.startup.Tomcat;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.context.annotation.ComponentScan;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
@Configuration
@ComponentScan(basePackages = "com.example.demo")
public class CustomSpringApplication {
public static void main(String[] args) throws LifecycleException {
// 创建Tomcat实例
Tomcat tomcat = new Tomcat();
        tomcat.setPort(8080); // 设置端口号
        tomcat.setContextPath("/myapp"); // 设置上下文路径
        tomcat.setSessionTimeout(30); // 设置Session超时时间
// 添加Web应用
        tomcat.addWebapp("/", System.getProperty("user.dir") + "/src/main/webapp");
// 启动Tomcat服务器
        tomcat.start();
        tomcat.getServer().await();
    }
}

4.5.2 创建Web应用目录

在src/main/webapp目录下，创建一个WEB-INF目录，并在其中创建一个web.xml文件（虽然Spring Boot通常不需要web.xml，但为了模拟传统Web应用的部署方式，我们在这里创建一个）。

web.xml文件内容如下：

xml复制代码
<!DOCTYPE web-app PUBLIC "-//Sun Microsystems, Inc.//DTD Web Application 2.3//EN" "http://java.sun.com/dtd/web-app_2_3.dtd">
<web-app>
<servlet>
<servlet-name>helloServlet</servlet-name>
<servlet-class>com.example.demo.servlet.HelloServlet</servlet-class>
</servlet>
<servlet-mapping>
<servlet-name>helloServlet</servlet-name>
<url-pattern>/hello</url-pattern>
</servlet-mapping>
</web-app>

4.6 运行模拟的Spring Boot应用

现在，我们可以运行CustomSpringApplication类的main方法来启动模拟的Spring Boot应用。启动后，访问http://localhost:8080/myapp/hello，应该能够看到“Hello, Spring Boot with Tomcat!”的响应。

五、总结

本文通过深入探讨Spring Boot的背景历史、业务场景、功能点以及底层原理，特别是其与Tomcat的整合方式，展示了Spring Boot的强大功能和灵活性。同时，通过手写模拟Spring Boot的启动过程，进一步加深了对Spring Boot内部工作机制的理解。希望本文能为读者在使用Spring Boot进行开发时提供有益的参考和帮助。