Tomcat 对静态资源的处理

Tomcat 中的请求都是由 Servlet 处理，静态资源也不例外。在默认的 web.xml 中，配置了一个 DefaultServlet 用于处理静态资源，它支持缓存和断点续传。

DefaultServlet 的基本处理过程如下：

查找资源是否存在缓存
检查是否满足可选 If 头域指定的条件
设置响应头域，如 Content-Type、Content-Length、ETag、Last-Modified
检查是否满足 Sendfile 的条件，否则将内容拷贝到输出流中

接下来主要分析资源缓存的设计和实现，以及 If 头域的处理。

1. 资源缓存的设计

访问磁盘的速度远远低于访问内存的速度，所以适当的缓存一部分静态资源能够让系统快速响应。

Tomcat 在 6.0.53 版本实现静态资源的处理时，借助了 JNDI 的一些 API（但在使用时感觉与 JNDI 的关系不大），相关类图及核心方法和属性如下：

缓存相关的类：

ResourceCache: 缓存实现，提供了资源查找、加载、销毁的功能
CacheEntry: 一个缓存条目，包含缓存名称，如 /tomcat.gif，资源和资源的属性以及对应的目录

资源目录相关的类是：

EmptyDirContext: 主要用于嵌入式模式，行为就像没有可用资源一样
FileDirContext: 基于文件系统的资源目录服务
WARDirContext: 基于 war 文件的目录服务
Resource: 封装了资源内容，主要有字节数据和输入流
ResourceAttributes: 资源属性，主要有内容长度和最后修改时间
ProxyDirContext: 资源缓存和目录服务的代理，提供查找资源缓存、校验缓存是否过期等功能

默认情况下，缓存最大为 10 MB，单个缓存资源最大为 512 KB，缓存的 TTL 为 5s。

一般的，在 Mapper 映射到处理静态资源的 Wrapper 时，会引起资源的加载，基本的方法调用情况如下：

Mapper.map(MessageBytes, MessageBytes, MappingData)

└─Mapper.internalMap(CharChunk, CharChunk, MappingData)

 └─Mapper.internalMapWrapper(Mapper$Context, CharChunk, MappingData)

  └─ProxyDirContext.lookup(String)

   └─ProxyDirContext.cacheLookup(String)

    └─ResourceCache.lookup(String)

     └─ResourceCache.find(CacheEntry[], String)

缓存资源插入内部数组时是有序的，find 方法就是通过资源名二分查找缓存，资源名就是请求路径，此时有两种情况，缓存命中和未命中。

缓存未命中，在 cacheLookup 方法中会新建一个 CacheEntry 对象，调用 cacheLoad 方法加入到 ResourceCache 的缓存数组中，加入前会对缓存条目进行以下操作：

获取并初始化缓存资源属性，主要是文件的 contentLength 和 lastModified
如果文件长度小于 512KB，那么将文件内容加载到内存中
标记缓存存在，设置缓存时间戳

缓存命中，会对缓存条目进行校验：

检查是否过期，当前时间大于缓存条目设置的时间戳
如果过期，再检查资源内容是否修改
如果修改，清除这个缓存，读取最新内容

以上就是资源缓存简单的处理过程。本文首发于微信公众号：顿悟源码，交流QQ群：673986158

2. If 头域的处理

客户端接收并缓存请求的资源，，当再次请求此资源时，服务端根据特定的请求头域来验证资源是否修改，没有变动，则只返回一个 304 Not Modified 响应，否则返回资源的内容，从而节省带宽。

用于资源验证的头域有两种，分别是：Last-Modified+If-Modified-Since 和 ETag+If-None-Match。

Last-Modified+If-Modified-Since，单位是秒，这个容易理解，如果服务端资源的最后修改时间小于 If-Modified-Since 的值，表示资源无变动。与 If-Modified-Since 对应的有个 If-Unmodified-Since，它类似一个断言，小于此时间戳的资源才返回，大于等于的话会返回 412 Precondition Failed 的错误。

使用时间戳校验有几个弊端：

文件有可能只改变修改时间，内容不变
文件在秒以下的时间修改无法判断
服务器可能不能精确获取文件的最后修改时间。

因此，HTTP 引入了 ETag。ETag(Entity Tags) 资源唯一标识，可看做服务端为资源生成的一个 Token，用于校验资源是否修改。HTTP 只规定 ETag 要放在双引号内，没有规定内容是什么或者要怎么实现，Tomcat 生成 ETag 的逻辑是 "W/\"" + contentLength + "-" + lastModified + "\""，其中 'W/' 表示大小写敏感。

ETag+If-None-Match，If-None-Match 的值由一个或多个 ETag 组成，多个以逗号分割，如果服务端资源的 ETag 与其中的任何一个都不匹配，表示请求的资源有修改；否则无变动。它还有一个特殊值-星号（*），只在资源上传时使用，通常是 PUT 方法，检查是否已经上传过。

此外 If-None-Match 的优先级高于 If-Modified-Since，也就是说，存在 If-None-Match 就不对最后修改时间进行校验。与 If-None-Match 相对的有个 If-Match，它也类似断言，只有资源的 ETag 匹配时才认为没有修改，通常用于断点续传。

Tomcat 实现此部分的核心代码如下：

// 返回 true 是才认为资源有变动

protected boolean checkIfHeaders(HttpServletRequest request,

    HttpServletResponse response,ResourceAttributes resourceAttributes)

    throws IOException {

  return checkIfMatch(request, response, resourceAttributes)

    && checkIfModifiedSince(request, response, resourceAttributes)

    && checkIfNoneMatch(request, response, resourceAttributes)

    && checkIfUnmodifiedSince(request, response, resourceAttributes);

}

2.1 一次请求流程

以请求 /main.css 静态资源为例，第一次请求响应头信息如下：

HTTP/1.1 200 OK

Server: Apache-Coyote/1.1

Accept-Ranges: bytes

ETag: W/"72259-1557127244000"

Last-Modified: Mon, 06 May 2019 07:20:44 GMT

Content-Type: text/css

Content-Length: 72259

Date: Mon, 06 May 2019 07:20:57 GMT

第二次请求时，首先看一下请求头域关键信息：

Cache-Control:max-age=0

Connection:keep-alive

Host:localhost:8080

If-Modified-Since:Mon, 06 May 2019 07:20:44 GMT

If-None-Match:W/"72259-1557127244000"

服务器收到请求后就会比对 ETag，这里匹配成功，表示资源没有修改，响应如下：

HTTP/1.1 304 Not Modified

Server: Apache-Coyote/1.1

ETag: W/"72259-1557127244000"

Date: Mon, 06 May 2019 07:21:46 GMT

注意：在复现时，要使用文本类型，如果使用 Chrome 浏览器，记得开启缓存。

2.2 Accept-Ranges

在上文的响应中，服务器设置了一个 Accept-Ranges: bytes 头，字面理解就是可以请求资源的一部分字节，客户端发现有这个头时，就可以尝试断点续传。

解析过程就是对 HTTP 规范的实现，这里不在具体分析了，规范详细信息可查看 RFC7233#section-2.3.

3. SendFile 的处理

检查是否支持 SendFile，NIO 模式下支持此操作，也就是零拷贝，此操作会减少一次到应用内存的拷贝，直接从内核将数据写入通道。Tomcat 在文件大小大于 48KB 时会尝试使用此方式发送。

4. 小结

Tomcat 对静态资源处理的实现还是比较完善的，但还是略逊色于 Nginx 这类 Web 服务器，因为它们能直接处理静态资源，而 Tomcat 还要多做一次映射。一般的都会进行动静分离，让 Tomcat 专注处理动态请求。