Tomcat源码解析(八)：一个请求的执行流程（附Tomcat整体总结）

冬天vs不冷2024-06-13 20:18

Tomcat源码系列文章

Tomcat源码解析(一)：Tomcat整体架构

Tomcat源码解析(二)：Bootstrap和Catalina

Tomcat源码解析(三)：LifeCycle生命周期管理

Tomcat源码解析(四)：StandardServer和StandardService

Tomcat源码解析(五)：StandardEngine、StandardHost、StandardContext、StandardWrapper

Tomcat源码解析(六)：Connector、ProtocolHandler、Endpoint

Tomcat源码解析(七)：底层如何获取请求url、请求头、json数据？

Tomcat源码解析(八)：一个请求的执行流程

文章目录

前言

前文中我们介绍了NIO解析请求数据，网络字节流转化为Request和Response对象。接下来介绍拿到Req和Res之后如何走到Servelt，以及正常响应返回。

回顾之前篇章，NioEndpoint通过socket服务端ServerSocketChannel.accept()监听8080端口接收连接，获取到连接扔给连接池处理，SocketProcessor从NioChannel通道中读取数据到ByteBuff缓冲区再赋值给对应属性，最后通过适配器CoyoteAdapter生成容器Req和Res调用容器管道的执行方法。

Endpoint是连接器Connector的核心组件之一，那么NioEndpoint接受到的连接最后交给自己的连接器connector；由如下server.xml可知，Service对象由一个容器Engine和多个连接器Connector组成，所以结合上面核心代码connector.getService().getContainer()获取到的就是自己的顶级容器Engine。

以前第一篇文章Tomcat源码解析(一)：Tomcat整体架构最后一部分有说过管道的结构。 这里再简单的说下容器管道，其实可以理解为容器Engine、Host、Context、Wrapper设置的拦截器，一个请求进来，需要通过每个容器设置的拦截器(如下链状结构，可以设置多个)，也就是说每个容器可能有多个处理点。作用其实就是在请求Servelt之前可以拦截请求做一些额外处理。另外一方面，也是从顶级容器Engine找到Wrapper从而找到Servelt执行我们写的业务逻辑

一、Engine管道内容

1、StandardEngineValve

这里感觉没啥核心内容，其实就是找到对应的Host，然后调用Host的管道执行方法。

java 复制代码 
final class StandardEngineValve extends ValveBase {
	...
    @Override
    public final void invoke(Request request, Response response)
        throws IOException, ServletException {

        // 从request中获取虚拟主机host
        Host host = request.getHost();
        if (host == null) {
            response.sendError
                (HttpServletResponse.SC_BAD_REQUEST,
                 sm.getString("standardEngine.noHost",
                              request.getServerName()));
            return;
        }
        if (request.isAsyncSupported()) {
            request.setAsyncSupported(host.getPipeline().isAsyncSupported());
        }
        // 请此主机处理此请求，调用对应主机的管道执行方法
        host.getPipeline().getFirst().invoke(request, response);
    }
}

2、如何通过Engine找到Host

顶级容器Engine下可以有多个虚拟主机Host(主机名称和ip地址，默认localhost)；在上篇文章中讲过NIO解析请求数据，里面自然包括请求ip地址，此时只要比对下即可在多个虚拟主机Host中找到。

在解析请求后会调用如下方法，最终会将获取到Host对象的mappingData.host属性赋值给Request，这样上面request.getHost()就能获取到对应的Host了。

二、Host管道内容

AccessLogValve

  • 这个处理点是日志记录用的，具体也没研究干啥的
  • 这里可以理解为Host的拦截器链，这个执行点执行完，调用下一个

1、ErrorReportValve（拼接html错误页面）

  • 接下来这个处理点，就是本单元的主要讲的内容，错误页面的拼接
java 复制代码 
public class ErrorReportValve extends ValveBase {
	...
    @Override
    public void invoke(Request request, Response response) throws IOException, ServletException {

        // 执行请求
        getNext().invoke(request, response);

		...
		
		// 此异常是执行请求时候捕获的，如我们的业务逻辑抛出的异常，这里就能获取到
		// 后面会讲到
        Throwable throwable = (Throwable) request.getAttribute(RequestDispatcher.ERROR_EXCEPTION);

		...

        try {
        	// 返回html的错误页面
            report(request, response, throwable);
        } catch (Throwable tt) {
            ExceptionUtils.handleThrowable(tt);
        }
    }
    ...
}
  • 在1xx、2xx和3xx状态下不执行任何操作
  • 4xx客户端错误，5xx服务端错误则需要组装错误响应业务
  • html字符串拼接完成后，将数据通过网络写出到客户端
java 复制代码 
// ErrorReportValve类方法
protected void report(Request request, Response response, Throwable throwable) {

    int statusCode = response.getStatus();

    // 在 1xx、2xx 和 3xx 状态下不执行任何操作
    // 4xx客户端错误，5xx服务端错误则需要组装错误响应业务
    if (statusCode < 400 || response.getContentWritten() > 0 || !response.setErrorReported()) {
        return;
    }

	...
	
	// sb即为拼接的html返回字符串
    StringBuilder sb = new StringBuilder();

    sb.append("<!doctype html><html lang=\"");
    sb.append(smClient.getLocale().getLanguage()).append("\">");
    sb.append("<head>");
    sb.append("<title>");
    sb.append(smClient.getString("errorReportValve.statusHeader",
            String.valueOf(statusCode), reason));
    sb.append("</title>");
    sb.append("<style type=\"text/css\">");
    sb.append(TomcatCSS.TOMCAT_CSS);
    sb.append("</style>");
    sb.append("</head><body>");
    sb.append("<h1>");
    sb.append(smClient.getString("errorReportValve.statusHeader",
            String.valueOf(statusCode), reason)).append("</h1>");
    if (isShowReport()) {
        sb.append("<hr class=\"line\" />");
        sb.append("<p><b>");
        sb.append(smClient.getString("errorReportValve.type"));
        sb.append("</b> ");
        if (throwable != null) {
            sb.append(smClient.getString("errorReportValve.exceptionReport"));
        } else {
            sb.append(smClient.getString("errorReportValve.statusReport"));
        }
        sb.append("</p>");
        if (!message.isEmpty()) {
            sb.append("<p><b>");
            sb.append(smClient.getString("errorReportValve.message"));
            sb.append("</b> ");
            sb.append(message).append("</p>");
        }
        sb.append("<p><b>");
        sb.append(smClient.getString("errorReportValve.description"));
        sb.append("</b> ");
        sb.append(description);
        sb.append("</p>");
        if (throwable != null) {
            String stackTrace = getPartialServletStackTrace(throwable);
            sb.append("<p><b>");
            sb.append(smClient.getString("errorReportValve.exception"));
            sb.append("</b></p><pre>");
            sb.append(Escape.htmlElementContent(stackTrace));
            sb.append("</pre>");

            int loops = 0;
            Throwable rootCause = throwable.getCause();
            while (rootCause != null && (loops < 10)) {
                stackTrace = getPartialServletStackTrace(rootCause);
                sb.append("<p><b>");
                sb.append(smClient.getString("errorReportValve.rootCause"));
                sb.append("</b></p><pre>");
                sb.append(Escape.htmlElementContent(stackTrace));
                sb.append("</pre>");
                // In case root cause is somehow heavily nested
                rootCause = rootCause.getCause();
                loops++;
            }

            sb.append("<p><b>");
            sb.append(smClient.getString("errorReportValve.note"));
            sb.append("</b> ");
            sb.append(smClient.getString("errorReportValve.rootCauseInLogs"));
            sb.append("</p>");

        }
        sb.append("<hr class=\"line\" />");
    }
    if (isShowServerInfo()) {
        sb.append("<h3>").append(ServerInfo.getServerInfo()).append("</h3>");
    }
    sb.append("</body></html>");

    try {
        try {
            response.setContentType("text/html");
            response.setCharacterEncoding("utf-8");
        } catch (Throwable t) {
            ExceptionUtils.handleThrowable(t);
        }
        Writer writer = response.getReporter();
        if (writer != null) {
	        // 将响应的html写到响应对象Response的一个字符缓冲区CharBuffer中
	        writer.write(sb.toString());
	        // 将响应缓冲区中的数据通过网络发送给客户端
	        response.finishResponse();
        }
    } catch (IOException e) {
        // Ignore
    } catch (IllegalStateException e) {
        // Ignore
    }
}
  • html字符串对应业务关键内容

2、StandardHostValve

  • 回到执行请求那里，继续向里走
  • 一旦我们业务代码抛出异常，这里会获取到，然后设置响应码response.setStatus(500)等等
  • 这些都是为上面说的拼接html错误页面做准备
java 复制代码 
// StandardHostValve类方法
@Override
public final void invoke(Request request, Response response)
    throws IOException, ServletException {

    // 获取请求的Context(上下文)
    Context context = request.getContext();
    if (context == null) {
        return;
    }
	
	...

    try {
    	...
        try {
            if (!response.isErrorReportRequired()) {
            	// 下一个执行点NonLoginAuthenticator
                context.getPipeline().getFirst().invoke(request, response);
            }
        } catch (Throwable t) {
			...
        }
		...
		
		// 此异常是执行请求时候捕获的，如我们的业务逻辑抛出的异常，这里就能获取到
        Throwable t = (Throwable) request.getAttribute(RequestDispatcher.ERROR_EXCEPTION);

        // Look for (and render if found) an application level error page
        if (response.isErrorReportRequired()) {
            if (t != null) {
            	// 设置响应信息
            	// public static final int SC_INTERNAL_SERVER_ERROR = 500;
            	// response.setStatus(HttpServletResponse.SC_INTERNAL_SERVER_ERROR);
                throwable(request, response, t);
            } else {
                status(request, response);
            }
        }	
        ...
    } finally {
		...
    }
}

NonLoginAuthenticator

  • 此处理点主要是tomcat登录权限以及其他权限校验，暂不做研究
  • 接着继续下一个就是Context的处理点

3、如何通过Host找到Context(上下文)

虚拟主机Host下可能有多个项目，即webapps目录下的文件夹，每个文件夹就是一个应用项目，而这个文件夹的名称即请求url的统一前缀。

在解析请求后调用如下方法，最终会将获取到Context对象的mappingData.context属性赋值给Request，这样上面request.getContext()就能获取到上下文Context。

三、Context管道内容

1、StandardContextValve

  • 禁止直接访问 WEB-INF 或 META-INF 下的资源
  • 获取Wrapper，找不到设置错误码404，最后调用Wrapper的处理点
java 复制代码 
// StandardContextValve类方法
@Override
public final void invoke(Request request, Response response)
    throws IOException, ServletException {

    // 禁止直接访问 WEB-INF 或 META-INF 下的资源
    MessageBytes requestPathMB = request.getRequestPathMB();
    if ((requestPathMB.startsWithIgnoreCase("/META-INF/", 0))
            || (requestPathMB.equalsIgnoreCase("/META-INF"))
            || (requestPathMB.startsWithIgnoreCase("/WEB-INF/", 0))
            || (requestPathMB.equalsIgnoreCase("/WEB-INF"))) {
        response.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_FOUND);
        return;
    }

    // 获取请求的Wrapper
    Wrapper wrapper = request.getWrapper();
    if (wrapper == null || wrapper.isUnavailable()) {
        response.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_FOUND);
        return;
    }

    // 确认请求
    try {
        // 最终会调用 Http11Processor#ack() 方法
        // 也就是简单地将 HTTP/1.1 100 加上回车换行符写给客户端
        // public static final byte[] ACK_BYTES = ByteChunk.convertToBytes("HTTP/1.1 100 " + CRLF + CRLF);
        response.sendAcknowledgement();
    } catch (IOException ioe) {
        container.getLogger().error(sm.getString(
                "standardContextValve.acknowledgeException"), ioe);
        request.setAttribute(RequestDispatcher.ERROR_EXCEPTION, ioe);
        response.sendError(HttpServletResponse.SC_INTERNAL_SERVER_ERROR);
        return;
    }

    if (request.isAsyncSupported()) {
        request.setAsyncSupported(wrapper.getPipeline().isAsyncSupported());
    }
    // 调用Wrapper的处理点
    wrapper.getPipeline().getFirst().invoke(request, response);
}

2、如何通过Context找到Wrapper

tomcat启动时候，在将所有Servelt实例化以后，会将所有的映射url和Wrapper组成MappedWrapper统一放到esactWrappers集合中。

在解析请求后调用如下方法，通过请求解析的path找到esactWrappers集合中对应的MappedWrapper，最终会将获取到Wrapper对象的mappingData.wrapper属性赋值给Request，这样上面request.getWrapper()就能获取到Wrapper，从而找到Servelt。

之前篇章Tomcat源码解析(五)：StandardEngine、StandardHost、StandardContext、StandardWrapper最后一节Mapper组件介绍过Mapper的组成，下面再来看下Mapper中对应映射和Wrapper的位置。

四、Wrapper管道内容

1、StandardWrapperValve

  • 第一步：获取Wrapper中的Servelt实例(loadOnStartup>0的已经在项目启动时候实例化和初始化)，如果loadOnStartup默认值-1则表示此时才会实例化和初始化Servelt并返回
  • 第二步：为此请求创建过滤器链(包括要执行的Servelt)，过滤器链先添加Servelt，再通过过滤器的urlPatterns和servletNames匹配当前servelt添加到过滤器链中
  • 第三步：过滤器链执行完以后，释放过滤器链，将过滤器链中的过滤器和Servelt置为空，因为下个请求还需要重新创建过滤器链
java 复制代码 
// StandardWrapperValve类方法
@Override
public final void invoke(Request request, Response response)
    throws IOException, ServletException {

	..

	// 获取Wrapper
    StandardWrapper wrapper = (StandardWrapper) getContainer();
    Servlet servlet = null;
    Context context = (Context) wrapper.getParent();

	...

    // 分配一个 servlet 实例来处理此请求
    // 如果是loadOnStartup>0的Servlet直接从Wrapper中获取即可，否则需要实例化创建
    try {
        if (!unavailable) {
            servlet = wrapper.allocate();
        }
    } catch (xxxException e) {
		...
    } 
	
	// 解析请求的mapping映射
	// 如：http://localhost:8080/springmvc/servletTomcat，这里为/serveltTomcat
    MessageBytes requestPathMB = request.getRequestPathMB();

	...	

    // 为此请求创建过滤器链（包括要执行的Servelt）
    ApplicationFilterChain filterChain =
            ApplicationFilterFactory.createFilterChain(request, wrapper, servlet);

    // 为此请求调用过滤器链
    // 注意：这也调用了servlet的service()方法
    try {
        if ((servlet != null) && (filterChain != null)) {
        	...
        	// 执行连接器链
	        filterChain.doFilter(request.getRequest(),response.getResponse());
			...
        }
	} catch (xxxException e) {
        throwable = e;
        // 将异常添加到request，并设置错误码500
        exception(request, response, e);
    }

    // 释放过滤器链，将过滤器链中的过滤器和Servelt置为空
    if (filterChain != null) {
        filterChain.release();
    }
	
	...    
}

1.1、创建过滤器链

  • 从req从获取过滤器链，没有的话创建ApplicationFilterChain过滤器链对象
  • 将servelt添加到过滤器链中
  • 获取项目启动时候实例化的所有过滤器
  • 先根据过滤器的urlPatterns匹配当前servelt，匹配成功添加到过滤器链中
  • 再根据过滤器的servletNames匹配当前servelt，匹配成功添加到过滤器链中
java 复制代码 
// ApplicationFilterFactory类方法
public static ApplicationFilterChain createFilterChain(ServletRequest request,
        Wrapper wrapper, Servlet servlet) {

    // 如果servelt为空，则返回null
    if (servlet == null)
        return null;

    // 创建过滤器链对象，并设置给request
    ApplicationFilterChain filterChain = null;
    if (request instanceof Request) {
        Request req = (Request) request;
        if (Globals.IS_SECURITY_ENABLED) {
            // Security: Do not recycle
            filterChain = new ApplicationFilterChain();
        } else {
            filterChain = (ApplicationFilterChain) req.getFilterChain();
            if (filterChain == null) {
                filterChain = new ApplicationFilterChain();
                req.setFilterChain(filterChain);
            }
        }
    } else {
        // Request dispatcher in use
        filterChain = new ApplicationFilterChain();
    }
	
	// 将servelt添加到过滤器链中
    filterChain.setServlet(servlet);
    filterChain.setServletSupportsAsync(wrapper.isAsyncSupported());

    // 获取上下文及项目启动加载的所有过滤器
    StandardContext context = (StandardContext) wrapper.getParent();
    FilterMap filterMaps[] = context.findFilterMaps();

    // 如果没有过滤器，我们就完成了，自己返回，里面只有servelt
    if ((filterMaps == null) || (filterMaps.length == 0))
        return (filterChain);

    // 拦截方式配置也就是资源被访问的形式（没明白）
    DispatcherType dispatcher =
            (DispatcherType) request.getAttribute(Globals.DISPATCHER_TYPE_ATTR);
	...

    String servletName = wrapper.getName();

    // 根据过滤器的urlPatterns匹配当前servelt
    for (int i = 0; i < filterMaps.length; i++) {
        if (!matchDispatcher(filterMaps[i] ,dispatcher)) {
            continue;
        }
        if (!matchFiltersURL(filterMaps[i], requestPath)){
            continue;
        }
        ApplicationFilterConfig filterConfig = (ApplicationFilterConfig)
            context.findFilterConfig(filterMaps[i].getFilterName());
        if (filterConfig == null) {
            continue;
        }
        // 添加到过滤器链
        filterChain.addFilter(filterConfig);
    }

    // 根据过滤器的servletNames匹配当前servelt
    for (int i = 0; i < filterMaps.length; i++) {
        if (!matchDispatcher(filterMaps[i] ,dispatcher)) {
            continue;
        }
        if (!matchFiltersServlet(filterMaps[i], servletName)){
            continue;
        }
        ApplicationFilterConfig filterConfig = (ApplicationFilterConfig)
            context.findFilterConfig(filterMaps[i].getFilterName());
        if (filterConfig == null) {
            // FIXME - log configuration problem
            continue;
        }
        // // 添加到过滤器链
        filterChain.addFilter(filterConfig);
    }

    // 返回完整的过滤器链
    return filterChain;
}

1.2、执行过滤器链

1.2.1、Request和Response的门面模式

在调用拦截器链之前，先看下request.getRequest(), response.getResponse()这两个方法，在这之前Request指的是Request implements HttpServletRequest，Response指的是Response implements HttpServletResponse。从这个方法进入以后，Request指的是RequestFacade implements HttpServletRequest，Response指的是ResponseFacade implements HttpServletResponse。这里是利用门面模式，将Req和Res的内容分别包装在RequestFacade和ResponseFacade里面，后者就是起到一个传递作用，为的是保护Req和Res中的属性方法，只在后者暴露想让业务调用者调用的属性和方法。

获取RequestFacade和ResponseFacade

  • 其实很简单，就是在RequestFacade和ResponseFacade对象中分别设置request和response属性
  • 外界获取属性方法都是在RequestFacade的方法中调用Req和Res所得
java 复制代码 
// Request类方法
public HttpServletRequest getRequest() {
    if (facade == null) {
        facade = new RequestFacade(this);
    }
    if (applicationRequest == null) {
        applicationRequest = facade;
    }
    return applicationRequest;
}
// RequestFacade构造方法
protected Request request = null;
public RequestFacade(Request request) {
    this.request = request;
}

// Response类方法
public HttpServletResponse getResponse() {
    if (facade == null) {
        facade = new ResponseFacade(this);
    }
    if (applicationResponse == null) {
        applicationResponse = facade;
    }
    return applicationResponse;
}
// ResponseFacade构造方法
protected Response response = null;
public ResponseFacade(Response response) {
     this.response = response;
}
1.2.2、doFilter方法
  • 核心方法，先执行拦截器链，再执行Servelt实例
java 复制代码 
private void internalDoFilter(ServletRequest request,
                              ServletResponse response)
    throws IOException, ServletException {

    // 如果有，请调用下一个过滤器。n是过滤器的个数，pos默认值是0
    if (pos < n) {
        ApplicationFilterConfig filterConfig = filters[pos++];
        try {
            Filter filter = filterConfig.getFilter();
            ...
			filter.doFilter(request, response, this);
			...
        } catch (IOException | ServletException | RuntimeException e) {
            throw e;
        } 
        return;
    }

    // 调用Servelt实例
    try {
    	...
		servlet.service(request, response);
		...
    } catch (IOException | ServletException | RuntimeException e) {
        throw e;
    } 
}

拦截器实例，拦截器的foFilter方法最后一定要调用filterChain.doFilter(servletRequest,servletResponse)这样整个拦截器链包括Servelt实例才能调用完整。

就这样，一个请求的执行流程执行完毕。

Tomcat最终总结

看着server.xml更容易理解

  • 一个Server类的实例就代表了一个Tomcat的容器，一个Tomcat进程只会有一个Server实例，也是Tomcat的主线程。Socket监听8005端口，ServerSocket服务端只要接受到Socket客户端发送消息"SHUTDOWN"(不论大小写)，就会停止Tomcat应用
  • 一个Server实例可以包含多个Service对象，Service对象由一个容器和多个连接器组成
    • 容器：加载和管理Servlet，以及具体处理Request请求
    • 连接器：处理Socket连接，负责网络字节流与Request和Response对象的转化
  • 容器分为：顶级容器Engine，虚拟主机Host，Web应用程序Context，Servelt包装类Wrapper
    • Engine：从一个或多个Connector中接受请求并处理，并将完成的响应返回给Connector，最终传递给客户端。解析server.xml获取它下面所有的Host引用
    • Host：运行多个Web应用(一个Context代表一个Web应用 )，并负责安装、展开、启动和结束每个Web应用。Context和Wrapper中解析出的请求映射和Servelt的内容统一放到Mapper中获取
    • Context：一个web应用。加载webapps目录下的web应用，实例化和初始化监听器、过滤器、Servlet
  • 考虑到不同网络通信和应用层协议，所以会有不同的连接器
    • 默认8080端口的http协议，8009的AJP协议
    • 连接器核心组件Endpoint使用三种线程接受处理请求
      • Acceptor线程：一直死循环通过SocketChannel的accept方法接受连接，阻塞方法
      • Poller线程：获取到Acceptor线程的连接，通过SocketChannel注册监听读事件，交给连接池处理
      • 任务线程：读取解析socket请求数据封装为request和response调用Servelt方法
  • 请求的处理流程(结合上面server.xml理解)
    • 连接器Connector监听解析拿到请求，通过Service对象找到唯一的顶级容器Engine
    • 顶级容器下有多个虚拟主机Host，与本次请求解析的url对比，获取本次请求的Host
    • 虚拟主机下的webapps下有多个web应用，与本次请求url的path对比，获取本次请求web应用
    • web应用下有多个Servelt，通过Mapper中记录的请求Mapping映射和Servelt对应关系找到Servevlt
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