Tomcat流程及组件深度解析

1. Tomcat核心功能概述

Tomcat作为一个中间件，主要实现Web请求的处理，其核心功能包括：

1. 接受用户连接
2. 解析请求数据
3. 处理请求
4. 发送响应

简化请求过程：

1. 客户端(用户浏览器)发起请求
2. 服务端接受并处理请求
3. 服务端返回结果给客户端

2. Servlet容器设计

Servlet容器解决了不同请求类型需要不同处理的问题：

• 定义Servlet接口，所有处理请求的业务类必须实现该接口
• 将不同Servlet放入容器中，由容器根据请求类型分发

关键组件：

• ServletRequest：封装用户请求信息
• ServletResponse：封装Servlet处理结果

处理流程：

1. 客户端发送HTTP请求
2. HTTP服务器将请求封装为ServletRequest对象，交给Servlet容器
3. Servlet容器根据URL和Servlet映射关系找到对应的Servlet
4. Servlet处理请求，将结果封装为ServletResponse
5. 服务器将响应发送给客户端

3. Tomcat组件架构

Tomcat作为Web容器需要实现两大基础功能：

1. Socket连接(通信和HTTP报文解析)
2. Servlet容器(请求处理)

主要组件设计：

3.1 核心组件

• Server：代表Tomcat实例，一个服务可包含多个Service
• Service：组装Connector和Container
  • Connector：连接器，完成HTTP服务器功能(建立socket连接)
  • Container：容器，完成内部处理功能(Servlet容器)

3.2 详细架构体系

1. Server：Tomcat服务器，最外层组件
   • 1.1 Service：Tomcat服务(标准实现类为StandardService)
     • 1.1.1 Connector：连接器，负责socket连接，将字节流封装为Request
     • 1.1.2 Container：Tomcat容器，将数据进一步处理为ServletRequest
       • 1.1.2.1 Engine：Servlet引擎(标准实现为StandardEngine)
         • 1.1.2.1.1 Host：虚拟主机(可多个，标准实现为StandardHost)
           • 1.1.2.1.1.1 Context：Servlet的Context，代表运行环境(StandardContext)
             • 1.1.2.1.1.1.1 Wrapper：代表一个Servlet(StandardWrapper)
     • 1.1.3 Jasper：JSP会话引擎
     • 1.1.4 Session：会话管理

4. Connector设计

4.1 核心功能

1. Socket通信(EndPoint端点)
2. 解析处理应用层协议，封装为Request对象(Processor加工处理)
3. 将Request转换为ServletRequest，Response转换为ServletResponse(Adapter转化器)

4.2 处理流程

1. EndPoint：进行socket连接，提供字节流给Processor(传输层socket)
2. Processor：封装字节流为Request数据(应用层HTTP)
3. Adapter：转化Request为ServletRequest

5. Tomcat启动流程分析

5.1 主程序入口

org.apache.catalina.startup.Bootstrap.main()关键步骤：

1. bootstrap.init()：初始化

   • 初始化类加载器
   • 反射加载org.apache.catalina.startup.Catalina类
   • 加载配置文件conf/server.xml
   • 初始化三个类加载器：
     • commonLoader(父类加载器)
     • catalinaLoader(子类加载器)
     • sharedLoader(子类加载器)

2. 反射调用Catalina的load()方法：

   • 读取server.xml配置文件
   • 调用getServer()返回StandardServer对象
   • 设置基础目录
   • 调用server.init()初始化server组件

3. daemon.start()：

   • 反射调用Catalina.start()
   • 实例化CatalinaShutdownHook()用于停止服务

5.2 类加载机制

5.2.1 双亲委派机制

加载顺序：

1. Java核心类 - 启动类加载器
2. Java扩展类 - 扩展类加载器
3. 用户自定义类 - 应用程序类加载器或其子类

5.2.2 Tomcat类加载器

• commonLoader：加载Tomcat和Web应用共用的类
• catalinaLoader：加载Tomcat专用类
• sharedLoader：加载Web应用需要的类
• JsperLoader：每个JSP页面一个类加载器

子类加载器的类不共享，对其他类加载器封闭。

5.2.3 WebApp类加载器

在StandardContext的startInternal()中：

WebappLoader webappLoader = new WebappLoader(getParentClassLoader());
webappLoader.setDelegate(getDelegate());
setLoader(webappLoader);

5.3 初始化流程解析

1. getServer().init()：

   • 返回StandardServer对象
   • 调用父类LifecycleBase.init()

2. 内部调用initInternal()：

   • StandardServer.initInternal()
   • 调用services[i].init()初始化各service组件

3. StandardService.initInternal()：

   • engine.init()初始化engine
   • connector.init()初始化connector

4. connector.initInternal()：

   • 新建CoyoteAdapter适配器
   • protocolHandler.init()初始化protocolHandler
     • AbstractProtocol.init()调用endpoint.init()初始化endpoint

5.4 生命周期管理

LifecycleBase是Tomcat组件生命周期管理的基础类，关键方法：

• init()
• start()
• stop()
• destroy()

6. Container设计

org.apache.catalina.Container接口，由以下组件继承实现：

主要方法：

• getParent()/setParent()：获取/设置父容器
• getService()/setService()：获取/设置Service(Engine特有)

7. 请求处理调用栈分析

从下往上的关键调用栈：

1. Socket连接处理：

   • doRun:1539, NioEndpoint$SocketProcessor
   • run:1495, NioEndpoint$SocketProcessor

2. HTTP请求封装：

   • process:1152, AbstractHttp11Processor
   • process:684, AbstractProtocol$AbstractConnectionHandler

3. 请求转换：

   • service:502, CoyoteAdapter

4. 容器处理链：

   • invoke:212, StandardWrapperValve
   • invoke:94, StandardContextValve
   • invoke:492, AuthenticatorBase
   • invoke:141, StandardHostValve
   • invoke:80, ErrorReportValve
   • invoke:620, AbstractAccessLogValve
   • invoke:88, StandardEngineValve

5. Filter链处理：

   • internalDoFilter:292, ApplicationFilterChain
   • doFilter:207, ApplicationFilterChain
   • doFilter:52, WsFilter
   • internalDoFilter:240, ApplicationFilterChain
   • doFilter:207, ApplicationFilterChain
   • doFilterInternal:88, CharacterEncodingFilter
   • doFilter:106, OncePerRequestFilter
   • internalDoFilter:240, ApplicationFilterChain
   • doFilter:207, ApplicationFilterChain

8. 配置文件解析

8.1 web.xml解析

在StandardContext中，web.xml信息保存在watchedResources变量中。

解析流程：

1. 调用ContextConfig#webConfig()
2. 生成WebXmlParser解析XML
3. 调用getDefaultWebXmlFragment
   • 如果web.xml不存在，使用默认的conf/web.xml

关键解析类：

• SetPropertiesRule.begin()：反射调用set方法
• SetContextPropertiesRule
• SetAllPropertiesRule

8.2 配置文件安全风险

示例：通过context.xml添加恶意配置

<manager autocommit="true" 
         classname="com.sun.rowset.JdbcRowSetImpl" 
         datasourcename="rmi://127.0.0.1/Exploit"></manager>

这种配置可能导致JNDI注入等安全问题，但会引发服务启动异常。

9. 总结

Tomcat的核心设计要点：

1. 分层组件架构：Server→Service→Connector/Container→Engine→Host→Context→Wrapper
2. 连接器-容器分离设计：Connector处理网络通信，Container处理业务逻辑
3. 生命周期管理：通过LifecycleBase统一管理组件生命周期
4. 类加载隔离：多级类加载器实现环境隔离
5. 责任链模式：通过Valve和Filter链实现请求处理流程

安全相关注意点：

1. 配置文件注入风险
2. 类加载机制可能被绕过
3. 反射调用set方法的安全隐患
4. JNDI注入等传统漏洞