【Tomcat源码分析】启动过程深度解析 (二)

前言

前文已述，Tomcat 的初始化由 Bootstrap 反射调用 Catalina 的 load 方法完成，包括解析 server.xml、实例化各组件、初始化组件等步骤。此番，我们将深入探究 Tomcat 如何启动 Web 应用，并解析其加载 ServletContextListener 及 Servlet 的机制。

前文参考文章：

【Tomcat 源码分析】揭秘 Tomcat 启动-初篇

Tomcat 启动逻辑层层递进，各部件协同运作。其启动流程自上而下，依次启动各个组件，如图：

承接前文，我们已解析了 Catalina.load() 方法，接下来将深入探讨 daemon.start() 方法的执行过程。

Bootstrap

daemon.start()

启动过程与初始化类似，均由 Bootstrap 反射调用 Catalina 的 start 方法。

public void start()
    throws Exception {
   
    if( catalinaDaemon==null ) init();

    Method method = catalinaDaemon.getClass().getMethod("start", (Class [] )null);
    method.invoke(catalinaDaemon, (Object [])null);
}

Catalina

public void start() {
   

    if (getServer() == null) {
   
        load();
    }

    if (getServer() == null) {
   
        log.fatal("Cannot start server. Server instance is not configured.");
        return;
    }

    long t1 = System.nanoTime();

    // Start the new server
    try {
   
        //调用Server的start方法，启动Server组件
        getServer().start();
    } catch (LifecycleException e) {
   
        log.fatal(sm.getString("catalina.serverStartFail"), e);
        try {
   
            getServer().destroy();
        } catch (LifecycleException e1) {
   
            log.debug("destroy() failed for failed Server ", e1);
        }
        return;
    }

    long t2 = System.nanoTime();
    if(log.isInfoEnabled()) {
   
        log.info("Server startup in " + ((t2 - t1) / 1000000) + " ms");
    }

    // Register shutdown hook
    // 注册勾子，用于安全关闭tomcat
    if (useShutdownHook) {
   
        if (shutdownHook == null) {
   
            shutdownHook = new CatalinaShutdownHook();
        }
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(shutdownHook);

        // If JULI is being used, disable JULI's shutdown hook since
        // shutdown hooks run in parallel and log messages may be lost
        // if JULI's hook completes before the CatalinaShutdownHook()
        LogManager logManager = LogManager.getLogManager();
        if (logManager instanceof ClassLoaderLogManager) {
   
            ((ClassLoaderLogManager) logManager).setUseShutdownHook(
                    false);
        }
    }

    // Bootstrap中会设置await为true，其目的在于让tomcat在shutdown端口阻塞监听关闭命令
    if (await) {
   
        await();
        stop();
    }
}

Server

在先前的 Lifecycle 文章中，我们已阐述 StandardServer 重写了 startInternal 方法，并在此基础上实现了自身的启动逻辑。

StandardServer.startInternal

protected void startInternal() throws LifecycleException {
   

    fireLifecycleEvent(CONFIGURE_START_EVENT, null);
    setState(LifecycleState.STARTING);

    globalNamingResources.start();

    // Start our defined Services
    synchronized (servicesLock) {
   
        for (int i = 0; i < services.length; i++) {
   
            services[i].start();
        }
    }
}

在启动过程中，LifecycleBase 首先发出 STARTING_PREP 事件，StandardServer 额外还会发出 CONFIGURE_START_EVENT 和 STARTING 事件，通知 LifecycleListener 在启动前进行准备工作。例如，NamingContextListener 会处理 CONFIGURE_START_EVENT 事件，实例化 Tomcat 相关的上下文以及 ContextResource 资源。

随后，启动 Service 组件，这部分逻辑将在后续文章中详细分析。最后，LifecycleBase 发出 STARTED 事件，完成启动流程。

Service

StandardService 的 start 代码如下所示：

1. 启动 Engine，Engine 的子容器也会被启动，Web 应用的部署将在这一步骤完成；
2. 启动 Executor，这是 Tomcat 使用 Lifecycle 封装的线程池，继承自 java.util.concurrent.Executor 以及 Tomcat 的 Lifecycle 接口；
3. 启动 Connector 组件，Connector 完成 Endpoint 的启动，此时意味着 Tomcat 可以对外提供请求服务。

StandardService.startInternal

protected void startInternal() throws LifecycleException {
   

    setState(LifecycleState.STARTING);

    // 启动Engine
    if (engine != null) {
   
        synchronized (engine) {
   
            engine.start();
        }
    }

    // 启动Executor线程池
    synchronized (executors) {
   
        for (Executor executor: executors) {
   
            executor.start();
        }
    }

    // 启动MapperListener
    mapperListener.start();

    // 启动Connector
    synchronized (connectorsLock) {
   
        for (Connector connector: connectors) {
   
            try {
   
                // If it has already failed, don't try and start it
                if (connector.getState() != LifecycleState.FAILED) {
   
                    connector.start();
                }
            } catch (Exception e) {
   
                // logger......
            }
        }
    }
}

Engine

StandardEngine 的标准实现为 org.apache.catalina.core.StandardEngine。其构造函数的主要职责是使用默认的基础阀门创建 StandardEngine 组件。

/**
 * Create a new StandardEngine component with the default basic Valve.
 */
public StandardEngine() {
   
    super();
    pipeline.setBasic(new StandardEngineValve());
    /* Set the jmvRoute using the system property jvmRoute */
    try {
   
        setJvmRoute(System.getProperty("jvmRoute"));
    } catch(Exception ex) {
   
        log.warn(sm.getString("standardEngine.jvmRouteFail"));
    }
    // By default, the engine will hold the reloading thread
    backgroundProcessorDelay = 10;
}

让我们来深入分析 StandardEngine.startInternal 方法。

StandardEngine.startInternal

@Override
protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {
   

    // Log our server identification information
    if(log.isInfoEnabled())
        log.info( "Starting Servlet Engine: " + ServerInfo.getServerInfo());

    // Standard container startup
    super.startInternal();
}

StandardEngine、StandardHost、StandardContext、StandardWrapper 这几个容器之间存在着父子关系。一个父容器可以包含多个子容器，并且每个子容器都对应一个父容器。Engine 是顶层父容器，它没有父容器。各个组件的包含关系如下图所示：

默认情况下，StandardEngine 只有一个子容器 StandardHost，一个 StandardContext 对应一个 Web 应用，而一个 StandardWrapper 对应一个 Web 应用里面的一个 Servlet。

StandardEngine、StandardHost、StandardContext、StandardWrapper 都是继承自 ContainerBase，各个容器的启动是由父容器调用子容器的 start 方法完成的，也就是说由 StandardEngine 启动 StandardHost，再由 StandardHost 启动 StandardContext，以此类推。

由于它们都继承自 ContainerBase，当调用 start 启动 Container 容器时，首先会执行 ContainerBase 的 start 方法。ContainerBase 会寻找子容器，并在线程池中启动子容器。StandardEngine 也不例外。

ContainerBase

ContainerBase 的 startInternal 方法如下所示，主要分为以下三个步骤：

1. 启动子容器
2. 启动 Pipeline，并发出 STARTING 事件
3. 如果 backgroundProcessorDelay 参数 >= 0，则开启 ContainerBackgroundProcessor 线程，用于调用子容器的 backgroundProcess 方法

protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {
   
    // 省略若干代码......

    // 把子容器的启动步骤放在线程中处理，默认情况下线程池只有一个线程处理任务队列
    Container children[] = findChildren();
    List<Future<Void>> results = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < children.length; i++) {
   
        results.add(startStopExecutor.submit(new StartChild(children[i])));
    }

    // 阻塞当前线程，直到子容器start完成
    boolean fail = false;
    for (Future<Void> result : results) {
   
        try {
   
            result.get();
        } catch (Exception e) {
   
            log.error(sm.getString("containerBase.threadedStartFailed"), e);
            fail = true;
        }
    }

    // 启用Pipeline
    if (pipeline instanceof Lifecycle)
        ((Lifecycle) pipeline).start();
    setState(LifecycleState.STARTING);

    // 开启ContainerBackgroundProcessor线程用于调用子容器的backgroundProcess方法，默认情况下backgroundProcessorDelay=-1，不会启用该线程
    threadStart();
}

ContainerBase 会将 StartChild 任务丢给线程池处理，并获取 Future 对象。然后，它会遍历所有 Future，并进行阻塞式的 result.get() 操作，这将异步启动转换为同步启动，只有所有子容器都启动完成才会继续运行。

我们再来看看提交到线程池的 StartChild 任务，它实现了 java.util.concurrent.Callable 接口，并在 call 方法中完成子容器的 start 动作。

private static class StartChild implements Callable<Void> {
   

    private Container child;

    public StartChild(Container child) {
   
        this.child = child;
    }

    @Override
    public Void call() throws LifecycleException {
   
        child.start();
        return null;
    }
}

启动 Pipeline

默认使用 StandardPipeline 实现类，它也是一个 Lifecycle。在容器启动时，StandardPipeline 会遍历 Valve 链表，如果 Valve 是 Lifecycle 的子类，则会调用其 start 方法启动 Valve 组件，代码如下：

public class StandardPipeline extends LifecycleBase
        implements Pipeline, Contained {
   


    protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {
   

        Valve current = first;
        if (current == null) {
   
            current = basic;
        }
        while (current != null) {
   
            if (current instanceof Lifecycle)
                ((Lifecycle) current).start();
            current = current.getNext();
        }

        setState(LifecycleState.STARTING);
    }

}

Host

在分析 Host 时，我们可以从 Host 的构造函数入手，该方法主要负责设置基础阀门。

ublic StandardHost() {
   
    super();
    pipeline.setBasic(new StandardHostValve());
}

StandardEngine.startInternal

protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException {
   

    // errorValve默认使用org.apache.catalina.valves.ErrorReportValve
    String errorValve = getErrorReportValveClass();
    if ((errorValve != null) && (!errorValve.equals(""))) {
   
        try {
   
            boolean found = false;

            // 如果所有的阀门中已经存在这个实例，则不进行处理，否则添加到  Pipeline 中
            Valve[] valves = getPipeline().getValves();
            for (Valve valve : valves) {
   
                if (errorValve.equals(valve.getClass().getName())) {
   
                    found = true;
                    break;
                }
            }

            // 如果未找到则添加到 Pipeline 中，注意是添加到 basic valve 的前面
            // 默认情况下，first valve 是 AccessLogValve，basic 是 StandardHostValve
            if(!found) {
   
                Valve valve =
                    (Valve) Class.forName(errorValve).getConstructor().newInstance();
                getPipeline().addValve(valve);
            }
        } catch (Throwable t) {
   
            // 处理异常，省略......
        }
    }

    // 调用父类 ContainerBase，完成统一的启动动作
    super.startInternal();
}

StandardHost Pipeline 包含的 Valve 组件：

1. basic：org.apache.catalina.core.StandardHostValve
2. first：org.apache.catalina.valves.AccessLogValve

需要注意的是，在往 Pipeline 中添加 Valve 阀门时，是添加到 first 后面，basic 前面。

Context

接下来，让我们深入分析 Context 的实现类 org.apache.catalina.core.StandardContext。

首先，我们来看看构造方法，该方法用于设置 Context.pipeline 的基础阀门。

public StandardContext() {
   
    super();
    pipeline.setBasic(new StandardContextValve());
    broadcaster = new NotificationBroadcasterSupport();
    // Set defaults
    if (!Globals.STRICT_SERVLET_COMPLIANCE) {
   
        // Strict servlet compliance requires all extension mapped servlets
        // to be checked against welcome files
        resourceOnlyServlets.add("jsp");
    }
}

启动方法与之前分析的容器启动方法类似，这里不再赘述。

Wrapper

Wrapper 是一个 Servlet 的包装，我们先来看看构造方法。其主要作用是设置基础阀门 StandardWrapperValve。

public StandardWrapper() {
   
    super();
    swValve=new StandardWrapperValve();
    pipeline.setBasic(swValve);
    broadcaster = new NotificationBroadcasterSupport();
}

这里每个容器中的 pipeline 设置的 StandardEngineValve、StandardHostValve、StandardContextValve、StandardWrapperValve 都是非常重要的，它们在 HTTP 请求处理过程中扮演着关键角色，我们将在后续的文章中详细讲解。

结语

至此，整个启动过程便告一段落。整个启动过程由父组件控制子组件的启动，一层层往下传递，直到最后全部启动完成。

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好了，本章节到此告一段落。希望对你有所帮助，祝学习顺利。