JAVA WEB和Tomcat各组件概念

概述

本篇文章是https://juejin.cn/post/7055306172265414663，这篇文章的再总结，剔除了与Java安全研究没太大关系的内容，对JAVAWEB中的Servlet、Filter、Listener以及Connector、Container则加重了篇幅。

Servlet

Servlet 是运行在 Web 服务器或应用服务器上的程序，它充当了客户端 HTTP 请求和服务器端应用程序之间的中间层。Servlet 负责处理用户请求，执行相应的业务逻辑，并返回响应结果。

这里的业务逻辑指的是，比如你使用HTTP应用处理(新建/修改/删除/查询)一条数据，则HTTP的客户端(一般指浏览器)一定会把这条数据封装成HTTP协议的报文，然后客户端将其发送给对应的HTTP服务端，HTTP服务器收到后会先把报文拆出来，然后根据请求的内容将其分发给对应的HTTP服务端处理逻辑代码，比如新增时给数据加上额外的相关信息，然后放入数据库中，这个动作就是业务逻辑，而这个动作就是由Servlet来执行的。

Servlet 请求处理过程

客户端请求：客户端（如浏览器）发起 HTTP 请求。
Servlet 容器接收请求：Servlet 容器（如 Tomcat）接收到请求，并将请求封装为 HttpServletRequest 和响应对象 HttpServletResponse。
初始化 Servlet：如果是第一次请求某个 Servlet，容器会调用 init() 方法初始化该 Servlet（仅在第一次请求时执行）。
调用 service 方法：容器调用 Servlet 的 service() 方法，根据请求类型（如 GET 或 POST）分发到对应的处理方法：doGet() 或 doPost()。**
处理业务逻辑：开发者在 doXXX() 方法中编写具体的业务逻辑。
返回响应：处理完毕后，返回响应信息到容器，容器再将结果发送给客户端。
销毁 Servlet：服务器关闭或容器卸载 Servlet 时，调用 destroy() 方法，进行资源清理。

Servlet 生命周期

初始化：在服务器启动时或第一次请求时，容器创建并初始化 Servlet。
处理请求：Servlet 在生命周期内会不断处理来自客户端的请求。
销毁：在服务器关闭时，Servlet 被销毁，释放相关资源。

Filter

Filter（过滤器）是 Servlet 的补充，主要功能是对请求和响应进行预处理。Filter 位于客户端和 Servlet 之间，拦截请求并根据需要修改请求或响应数据。

比如过滤器最常见的场景就在于限制客户请求的速率、限制未登录用户的访问等。

Filter 的基本工作原理

Filter 注册：Filter 类实现了 javax.servlet.Filter 接口，通过 web.xml 配置进行注册，指定哪些请求需要经过 Filter。
doFilter 方法：当请求到达 Servlet 容器时，Filter 的 doFilter() 方法被调用。在该方法中，Filter 可以修改请求或响应数据，或决定是否将请求传递给后续的 Filter 或目标 Servlet。
调用 FilterChain：通过调用 FilterChain.doFilter()，Filter 将请求传递到下一个 Filter 或目标 Servlet。如果不调用该方法，Servlet 的 service() 方法不会被执行。

Filter 生命周期

初始化：Filter 对象在应用启动时创建，并通过 init() 方法完成初始化。
处理请求：Filter 会在每次请求到达 Servlet 前调用 doFilter() 方法。
销毁：在 Web 应用关闭时，Filter 对象被销毁，执行 destroy() 方法，释放相关资源。

Filter 链(FilterChain)

当多个 Filter 依次注册时，它们构成了一个 Filter 链。Filter 链按照配置的顺序依次执行，直到请求被传递到目标 Servlet 或响应被发送回客户端。

Listener

什么是 Listener？

Listener（监听器）用于监听特定事件的发生并在事件触发时自动执行代码。在 Java Web 中，监听器常用于监控请求、会话、应用程序的生命周期事件。Listener 不直接处理业务逻辑，而是用于执行系统级的操作，例如日志记录、性能监控等。

Listener 的种类与用途

ServletContextListener：监听 ServletContext（Web 应用上下文）的创建和销毁。可以用于初始化应用级资源或在应用关闭时清理资源。
HttpSessionListener：监听 HttpSession 的创建和销毁。当用户会话开始时，触发 sessionCreated()，当会话结束时，触发 sessionDestroyed()。
ServletRequestListener：监听 ServletRequest 对象的创建和销毁，适用于监控请求的生命周期。
ServletContextAttributeListener：监听 ServletContext 属性的添加、删除和修改。
HttpSessionAttributeListener：监听 Session 中属性的变化。

Listener 生命周期

初始化：监听器对象在 Web 应用启动时被创建，并通过 init() 方法初始化。
处理事件：监听器通过相应的事件方法处理监听的事件，如 contextInitialized() 或 sessionCreated()。
销毁：在 Web 应用关闭时，监听器被销毁，执行 destroy() 方法，清理资源。

Tomcat

为了弄明白Tomcat在整个HTTP流程中的作用，我们来看一下HTTP是怎么工作的

HTTP请求流程图

用户通过浏览器进行操,比如输入网站并回车或者点击链接,浏览器获取到这个事件
浏览器向服务端发出TCP连接请求
服务器接受浏览器的连接请求,并经过TCP三次握手建立连接
浏览器将请求数据打包成一个HTTP格式的数据包
浏览器将请求数据包推入网络,数据包经过网络传输,最终到达服务器
服务器获取到请求数据包后,以HTTP格式解析请求数据包,获取到浏览器的请求
服务器执行浏览器的请求处理,比如提供静态文件或者调用服务器相关程序获取动态结果
服务器将响应的结果,包括HTML和图片,按照HTTP格式进行打包
服务器将响应数据包推入网络,数据包经过网络传输,最终到达浏览器
浏览器获取到响应数据包后,以HTTP格式解析响应数据包,获取响应到的数据
浏览器解析数据，渲染页面
浏览器将渲染好的页面呈现给用户

可以看到HTTP服务器也就是Tomcat的主要作用，主要包括：

接受连接
解析请求数据
处理请求
发送响应】

OK，让我们把具体的流程串起来。

HTTP服务器请求处理

HTTP服务器：接收到客户端的请求后，不能直接调用业务类。相反，它会将请求交给Servlet容器，由容器通过实现的 Servlet接口 来调用具体的业务类。
Servlet接口与容器：Servlet接口和Servlet容器的结合，使得 Tomcat 实现了 HTTP 服务器与业务类之间的解耦。Tomcat 遵循了 Servlet 规范，该规范规定了容器如何加载、管理和调用 Servlet。
业务扩展：如果需要添加新的业务功能，只需要实现一个 Servlet 接口，并将其注册到 Tomcat 服务器（即 Servlet 容器）中，Tomcat 会自动处理其余的服务器操作（如请求处理、响应管理等）。

Servlet容器工作流程

请求封装：当用户发送请求时，Tomcat 的 HTTP 服务器会使用一个 ServletRequest 对象将请求数据封装起来。
请求调度：Servlet 容器根据 URL 和 Servlet 映射关系找到对应的 Servlet。如果该 Servlet 尚未被加载，容器会使用反射机制创建 Servlet 实例，并调用其 init() 方法进行初始化。
请求处理：容器调用 service() 方法来处理请求，service() 方法会根据请求类型（如 GET 或 POST）分别调用 doGet() 或 doPost()。
响应封装：业务逻辑执行完毕后，Servlet 使用 ServletResponse 对象封装响应数据，HTTP 服务器将其发送回客户端（如浏览器）。
资源回收：在容器关闭或卸载 Servlet 时，会调用 destroy() 方法，进行资源的释放与清理。

所以，Tomcat是实现了两个核心功能

处理Socket连接,负责网络字节流与Request和Response对象的转化
加载和管理servlet,以及处理Request请求

Tomcat设计了两个核心组件来完成这两个核心功能，分别是Connector和Container

Connector: 提供Http 服务器功能，进行 Socket 通信(基于 TCP/IP)，解析 HTTP 报文
Container: Servlet 容器功能，加载和管理 Servlet，由 Servlet 具体负责处理 Request 请求

连接器Connector(Coyote)

Coyote是Tomcat的连接器框架，是Tomcat提供的供客户端访问的外部接口。客户端通过Coyote与服务器建立连接，发送请求并接受响应。Coyote封装了网络底层通信，包括Socket请求和响应处理，为Catalina容器提供了统一的接口，使Catalina容器与具体的请求协议以及IO`操作方式完全解耦。

Coyote将Socket输入转换封装为Request对象,交由Catalina容器进行处理，处理完成后Catalina通过Coyote提供的Response对象将结果写入输出流。

Coyote作为独立的模块,只负责具体协议和IO相关操作,与Servlet的规范实现没有直接关系。

Request对象和Response对象并没有实现Servlet规范对应的接口，而是在Catalina中将Request和Response对象进一步封装为ServletRequest和ServletResponse。

用一张图来分析一下连接器中干的事儿

Endpoint

在 Tomcat 中，Endpoint 组件是 Coyote 模块的核心组成部分，它充当了通信监听接口，负责处理与客户端的底层通信。Endpoint 实际上是对传输层的抽象，专门用来处理 TCP/IP 协议的通信。在 Tomcat 的架构中，并没有定义一个独立的 Endpoint 接口，而是提供了一个抽象类 AbstractEndpoint，这个类负责定义具体的实现。AbstractEndpoint 包含了两个关键的内部类：Acceptor 和 SocketProcessor。

Acceptor 负责监听客户端的 Socket 连接请求。当客户端发起连接时，Acceptor 会接收这些请求并将其交给处理器进行进一步处理。
SocketProcessor 则负责处理接收到的 Socket 请求。它实现了 Runnable 接口，通过在 run() 方法中调用协议处理组件 Processor 来解析并处理请求。为了提升处理能力，SocketProcessor 通常会被提交到一个线程池中执行，这个线程池是 Tomcat 扩展的 Java 原生线程池，称为 Executor。

Processor

Processor 的主要职责是处理应用层协议（例如 HTTP 协议）。当 Endpoint 通过 SocketProcessor 从网络中接收到请求数据后，数据被封装为特定协议的请求对象（如 HttpRequest）。这些协议对象并不是标准的 ServletRequest，而是 Tomcat 自定义的请求对象。因此，Processor 需要进一步处理这些对象，解析协议并将其转换成协议对应的 Request 对象，然后交由后续的Adapter处理。

接收协议特定的请求对象：SocketProcessor 接收原始的 Socket 数据，并将其转换为协议特定的请求对象。例如，在 HTTP 协议中，Processor 将从网络连接中接收到的字节流转换为 HttpRequest 对象。
协议解析与处理：Processor 负责解析协议特定的请求对象（如 HttpRequest），提取出请求的各种信息，如 HTTP 请求头、参数、方法等。此时，Processor 还没有将请求转换为标准的 ServletRequest，它仅仅是解析了请求的内容，并将这些内容封装在协议特定的请求对象（如 HttpRequest）中。
将请求交给适配器转换：协议特定的请求对象（如 HttpRequest）随后被交给 CoyoteAdapter，后者会将其转换为符合 Servlet 规范的 ServletRequest 对象。CoyoteAdapter 通过适配器模式，将 HttpRequest 对象转化为标准的 ServletRequest，以便容器能够处理。

Tomcat 提供了不同的 Processor 实现，以支持多种协议的处理。对于 HTTP 协议，Tomcat 提供了多个协议处理器，比如：

Http11Processor：用于处理 HTTP/1.1 协议的请求。
AjpProcessor：用于处理 AJP 协议的请求。

这些 Processor 实现类都遵循了 ProtocolHandler 接口，负责协议解析和 ServletRequest 的转换。

ProtocolHandler

ProtocolHandler 是 Coyote 协议接口的核心，通过Endpoint和Processor实现针对具体协议的处理能力。

常见的 ProtocolHandler 实现包括：

AjpAprProtocol
AjpNioProtocol
AjpNio2Protocol
Http11AprProtocol
Http11NioProtocol
Http11Nio2Protocol

在 Tomcat 的 server.xml 配置文件中，开发者可以选择并配置适合的协议处理器（例如 Http11），并指定使用的协议类型。如果 Tomcat 安装了 Apache Portable Runtime (APR)，则会使用 Http11AprProtocol，否则会回退到 Http11NioProtocol。

Adapter

客户端的请求信息通常由不同的协议处理器（Processor）进行解析。由于 HTTP 协议和其他协议（如 AJP 协议）在传输请求信息的格式上有所不同，Tomcat 必须处理这些不同协议的数据。为了适应这些差异，Tomcat 为每种协议提供了不同的协议处理器（例如 Http11Processor 用于 HTTP 协议，AjpProcessor 用于 AJP 协议等）。这些协议处理器负责将客户端请求信息解析并生成相应的请求对象，如 HttpRequest。

然而，HttpRequest 和其他协议的请求对象并不符合 Servlet 规范。Servlet 容器只能处理实现了 ServletRequest 接口的对象，而 HttpRequest 等自定义的请求对象并不实现该接口。因此，Tomcat 面临一个问题：如何将协议特定的请求对象转换为标准的 ServletRequest 对象，以便 Servlet 容器可以正确处理请求。

Adapter 的作用：解决协议特定请求对象与标准 ServletRequest 之间的转换

为了实现协议解耦，并将协议特定的请求对象转换为标准的 ServletRequest 对象，Tomcat 引入了 CoyoteAdapter。CoyoteAdapter 通过适配器模式，解决了协议不同导致的请求对象格式不一致的问题。

具体来说，CoyoteAdapter 充当了一个适配器，负责将由 ProtocolHandler 生成的协议特定的 Request 对象（如 HttpRequest）转换为标准的 ServletRequest 对象。ServletRequest 是 Servlet 容器能够理解和处理的标准接口，因此，CoyoteAdapter 使得 Servlet 容器能够无缝地处理来自不同协议的请求。

当 Tomcat 的 Connector 收到客户端的请求时，首先会通过对应的 ProtocolHandler（如 Http11Protocol）将请求数据解析为协议特定的 Request 对象。例如，HTTP 请求会被解析为 HttpRequest。这些请求对象虽然包含了请求的详细信息（如请求路径、参数、头部等），但是它们并不符合 Servlet 规范，因此不能直接传递给 Servlet 容器进行处理。

此时，CoyoteAdapter 就起到了关键作用：

CoyoteAdapter 的 service() 方法接收从协议处理器（如 Http11Processor）传递过来的 Request 对象（如 HttpRequest）。
CoyoteAdapter 负责将这个协议特定的 Request 对象转换为标准的 ServletRequest 对象。
转换后的 ServletRequest 对象会被传递给 Servlet 容器的 Service 方法，最终由 Servlet 容器根据映射关系找到对应的 Servlet，执行业务逻辑。

容器Container(Catalina)

Catalina 通过与 Coyote 模块的松耦合集成，实现了根据不同的请求协议进行数据读取和处理。Tomcat 本质上是一个 Servlet 容器，而 Catalina 作为核心模块，负责处理 Web 请求和管理 Servlet 的生命周期，其它模块则提供了对 Catalina 的支持服务。

在 Tomcat 中，组件按照不同的功能分层组织，每个模块的作用是支持或增强 Catalina 的工作，形成一个协同工作的架构：

Catalina：作为核心模块，Catalina 是 Tomcat 的 Servlet 容器实现。它负责解析 HTTP 请求、管理 Servlet 的生命周期、执行请求的调度等核心任务。
Coyote：是 Tomcat 的连接器模块，主要负责处理客户端和服务器之间的网络通信。Coyote 提供了协议处理能力，将底层的网络连接请求转换成 Servlet 容器可以理解的 Request 和 Response 对象。它实现了不同的协议解析（如 HTTP、AJP 等）并通过 Processor 组件处理协议特定的数据。
Jasper：是 Tomcat 提供的 JSP 引擎模块，负责将 JSP 页面转换为 Servlet。Jasper 可以解析 JSP 文件并生成相应的 Java Servlet 类，之后由 Catalina 负责处理这些 Servlet。
Java EL：Java EL（Expression Language）模块用于为 JSP 页面提供表达式语言支持。它使得 JSP 中的表达式更加简洁和易于使用，通过访问 JavaBeans 属性、集合对象等，简化了 JSP 页面的开发。
Naming：该模块提供 JNDI（Java Naming and Directory Interface）服务。Naming 模块支持应用程序对数据库连接池、JMS、EJB 等资源的访问。它提供了对外部资源的管理和查找功能。
Juli：Juli 是 Tomcat 的日志模块，它负责管理 Tomcat 的日志系统，支持日志记录、日志级别配置等功能。通过 Juli，Tomcat 可以进行各种信息的记录和监控，帮助开发者调试和维护应用。

Catalina结构

Catalina 本质上是 Tomcat 的 Servlet 容器实现，负责处理服务器的启动、关闭以及请求的分发。它将 Tomcat 的配置和管理功能进行有效的组织和抽象。

Catalina 负责管理 Server，其中 Server 表示整个服务器，包含多个 Service。每个 Service 包含多个由 Coyote 实现的连接器组件 Connector 和一个容器组件 Container。在 Tomcat 启动时，Catalina 会初始化一个实例来管理和协调这些组件的工作。

Server（服务器）

Server 表示整个 Tomcat 服务器，作为 Catalina 的顶级组件，它负责管理整个服务器的生命周期。在 Tomcat 启动时，Catalina 会解析配置文件并根据其中的设定创建一个 Server 实例。每个 Server 实例都可以包含多个 Service。它负责协调和启动 Tomcat 的核心服务，包括 Servlet 引擎、Coyote 连接器等。

Server 负责协调多个服务、启动和关闭整个系统，确保服务器的正确运行。

Service（服务）

Service 是 Server 的内部组件，它将多个连接器（Connector）和容器（Container）绑定在一起。一个 Server 实例可以包含多个 Service，每个 Service 都会提供一个独立的服务环境。

Service 将多个 Connector 和一个 Container 绑定到一起，负责协调请求的接收和处理。它提供了多种连接方式和处理策略，使得 Tomcat 能够灵活地支持不同的协议和网络通讯方式。

Connector（连接器）

Connector 是 Tomcat 中处理与客户端之间通信的组件，负责接收客户端的请求并将请求交给容器进行处理。Connector 会将客户端的请求封装成 Request 对象，并根据协议将请求转发给相应的 Container 进行进一步处理。处理完毕后，Connector 会将响应返回给客户端。

Connector 的主要任务是处理与客户端之间的网络连接。它封装网络请求并将其转发给 Container，同时将处理结果返回给客户端。

Container（容器）

Container 是处理用户请求的核心组件。它负责管理 Servlet 的生命周期、请求的调度和执行。Container 通过 Servlet 容器实现了请求的处理和响应的生成。请求由 Connector 转发到相应的 Container，然后由 Container 查找并调用合适的 Servlet 来处理具体的业务逻辑。

Container 负责处理和管理 Servlet 请求的执行。它将客户端请求转发给相应的 Servlet，并返回处理结果。

Container结构

Tomcat 中的容器 Container 由四个层次化的组件组成：Engine、Host、Context 和 Wrapper。这些组件具有父子层级关系，并采用组合模式进行管理，使得容器具有灵活的结构。Engine 作为整个 Catalina Servlet 引擎，用于管理多个虚拟主机，每个 Service 最多只有一个 Engine，但一个 Engine 可以包含多个 Host。Host 代表一个虚拟主机，可以配置多个虚拟主机地址，每个虚拟主机下可以有多个 Context，即 Web 应用程序。每个 Context 可以包含多个 Wrapper，后者是容器中最底层的组件，不可再包含子容器。

容器组件层次：

Engine：管理整个 Servlet 引擎，负责多个虚拟站点。
Host：代表虚拟主机，一个 Engine 可包含多个 Host。
Context：表示 Web 应用程序，一个 Host 可包含多个 Context。
Wrapper：最底层的容器，负责封装 Servlet，不能包含子容器。

Tomcat 的容器设计采用组件化结构，所有容器组件都实现了 Container 接口，并通过继承 LifeCycle 接口来管理其生命周期。容器之间通过组合模式形成树状结构，父容器与子容器的关系提供了良好的灵活性和扩展性，且容器的配置统一通过 server.xml 文件进行管理。