Tomcat 最重要的 2 个核心功能如下：

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，以及具体处理 Request 请求。

因此 Tomcat 设计了两个核心组件：连接器（Connector）和容器（Container）来分别做这两件事情。连接器负责对外交流，容器负责内部处理。连接器和容器可以说是 Tomcat 架构里最重要的两部分了，下面我们就着重讲解下这两个组件：

连接器

在开始讲连接器前，我先铺垫一下 Tomcat 支持的多种 I/O 模型和应用层协议。Tomcat 支持的 I/O 模型有：

NIO：非阻塞 I/O，采用 Java NIO 类库实现。
NIO.2：异步 I/O，采用 JDK 7 最新的 NIO.2 类库实现。
APR：采用 Apache 可移植运行库实现，是 C/C++ 编写的本地库。

Tomcat 支持的应用层协议有：

HTTP/1.1：这是大部分 Web 应用采用的访问协议。
AJP：用于和 Web 服务器集成（如 Apache）。
HTTP/2：HTTP 2.0 大幅度的提升了 Web 性能。

Tomcat 为了实现支持多种 I/O 模型和应用层协议，一个容器可能对接多个连接器，就好比一个房间有多个门。但是单独的连接器或者容器都不能对外提供服务，需要把它们组装起来才能工作，组装后这个整体叫作 Service 组件。注意，Service 本身没有逻辑，只是在连接器和容器外面多包了一层，把它们组装在一起。Tomcat 内可能有多个 Service，这样的设计也是出于灵活性的考虑。通过在 Tomcat 中配置多个 Service，可以实现通过不同的端口号来访问同一台机器上部署的不同应用。
捕获.PNG
从图中可以看到，最顶层是 Server，这里的 Server 指的就是一个 Tomcat 实例。一个 Server 中有一个或者多个 Service 组件，一个 Service 中有多个连接器和一个容器。连接器与容器之间通过标准的 ServletRequest 和 ServletResponse 通信。连接器对 Servlet 容器屏蔽了协议及 I/O 模型等的区别，无论是 HTTP 还是 AJP，在容器中获取到的都是一个标准的 ServletRequest 对象。

1. 连接器的组成

我们把连接器的功能需求进一步细化，具体如下：

监听网络端口。
接受网络连接请求。
读取网络请求字节流。
根据具体应用层协议（HTTP/AJP）解析字节流，生成统一的 Tomcat Request 对象。
将 Tomcat Request 对象转成标准的 ServletRequest。
调用 Servlet 容器，得到 ServletResponse。
将 ServletResponse 转成 Tomcat Response 对象。
将 Tomcat Response 转成网络字节流。
将响应字节流写回给浏览器。

通过分析连接器的详细功能列表，我们发现连接器需要完成 3 个高内聚的功能：网络通信。应用层协议解析。Tomcat Request/Response 与 ServletRequest/ServletResponse 的转化。因此 Tomcat 的设计者也相应的设计了三个组件来实现这三个功能，分别是 Endpoint、Processor 和 Adapter，其中 Endpoint 负责提供字节流给 Processor，Processor 负责提供 Tomcat Request 对象给 Adapter，Adapter 负责提供 ServletRequest 对象给容器。

由于 I/O 模型和应用层协议可以自由组合，比如 NIO + HTTP 或者 NIO.2 + AJP。Tomcat 的设计者将网络通信和应用层协议解析放在一起考虑，设计了一个叫 ProtocolHandler 的接口来封装这两种变化点，并提供了一个抽象基类 AbstractProtocol 来封装一些通用逻辑。每一种应用层协议也有自己的抽象基类，比如 AbstractAjpProtocol 和 AbstractHttp11Protocol，具体协议的实现类扩展了协议层抽象基类，比如：Http11NioProtocol 和 AjpNioProtocol。

从图中我们可以清晰地看到它们的继承和层次关系，这样设计的目的是尽量将稳定的部分放到抽象基类，同时每一种 I/O 模型和协议的组合都有相应的具体实现类，我们在使用时可以自由选择。小结一下，连接器模块用三个核心组件：Endpoint、Processor 和 Adapter 来分别做三件事情，其中 Endpoint 和 Processor 放在一起抽象成了 ProtocolHandler 组件，它们的关系如下图所示。

2. ProtocolHandler

由上文我们知道，连接器用 ProtocolHandler 来处理网络连接和应用层协议，包含了 Endpoint 和 Processor 这两个重要部件，下面详细介绍下它们的工作原理。

Endpoint
Endpoint 是通信端点，即通信监听的接口，是具体的 Socket 接收和发送处理器，是对传输层的抽象，因此 Endpoint 是用来实现 TCP/IP 协议的。

Endpoint 是一个接口，对应的抽象实现类是 AbstractEndpoint，而在 AbstractEndpoint 的具体子类，比如 NioEndpoint 和 Nio2Endpoint 中，有两个重要的子组件：Acceptor 和 SocketProcessor。其中 Acceptor 用于监听 Socket 连接请求。SocketProcessor 用于处理接收到的 Socket 请求，它实现 Runnable 接口，在 run 方法里调用协议处理组件 Processor 进行处理。通常，为了提高请求处理能力，SocketProcessor 会被提交到线程池去执行，这个线程池就叫作执行器（Executor)。

public abstract class AbstractEndpoint<S,U> {
    /**
     * Thread used to accept new connections and pass them to worker threads.
     */
    protected Acceptor<U> acceptor;
    /**
     * Cache for SocketProcessor objects
     */
    protected SynchronizedStack<SocketProcessorBase<S>> processorCache;
}

Processor
如果说 Endpoint 是用来实现 TCP/IP 协议的，那么 Processor 就是用来实现 HTTP 协议的，Processor 接收来自 Endpoint 的 Socket，读取字节流解析成 Tomcat Request/Response 对象，并通过 Adapter 将其提交到容器进行处理，Processor 是对应用层协议的抽象。

Processor 是一个接口，定义了请求的处理等方法。它的抽象实现类 AbstractProcessor 对一些协议共有的属性进行封装，没有对方法进行实现。具体的实现有 AjpProcessor、Http11Processor 等，这些具体实现类实现了特定协议的解析方法和请求处理方式。

public abstract class AbstractProcessor extends AbstractProcessorLight implements ActionHook {
    protected final Request request;
    protected final Response response;
}

最后，我们再来看下连接器的组件图：

从图中我们看到，Endpoint 接收到 Socket 连接后，生成一个 SocketProcessor 任务提交到线程池去处理，SocketProcessor 的 run 方法会调用 Processor 组件去解析应用层协议，Processor 通过解析生成 Request 对象后，会调用 Adapter 的 Service 方法。基本上这就是 ProtocolHandler 的总体架构和工作原理。

3. Adapter

前面说过，由于使用的协议不同，客户端发过来的请求信息也不尽相同，Tomcat 定义了自己的 Request 类来“存放”这些请求信息。ProtocolHandler 接口负责解析请求并生成 Tomcat Request 类。但是这个 Request 对象不是标准的 ServletRequest，也就意味着，不能用 Tomcat Request 作为参数来调用 Servlet 容器。

Tomcat 设计者的解决方案是引入 CoyoteAdapter，这是适配器模式的经典运用，连接器调用 CoyoteAdapter 的 sevice 方法，传入的是 Tomcat Request 对象，CoyoteAdapter 负责将 Tomcat Request 转换成 ServletRequest，再调用容器的 service 方法。

public class CoyoteAdapter implements Adapter {
    @Override
    public void service(org.apache.coyote.Request req, org.apache.coyote.Response res) throws Exception {
        Request request = (Request) req.getNote(ADAPTER_NOTES);
        Response response = (Response) res.getNote(ADAPTER_NOTES);
        if (request == null) {
            // Create objects
            request = connector.createRequest();
            request.setCoyoteRequest(req);
            response = connector.createResponse();
            response.setCoyoteResponse(res);
            // Link objects
            request.setResponse(response);
            response.setRequest(request);
        }
        //...
    }
}

容器

容器，顾名思义就是用来装载东西的器具，在 Tomcat 里，容器就是用来装载 Servlet 的。那 Tomcat 的 Servlet 容器是如何设计的呢？

1. 容器的层次结构

Tomcat 设计了 4 种容器，分别是 Engine、Host、Context 和 Wrapper。这 4 种容器不是平行关系，而是父子关系。具体关系如下图所示：

为什么要设计成这么多层次的容器呢？其实这背后的考虑是，Tomcat 通过一种分层的架构，使得 Servlet 容器具有很好的灵活性。Context 表示一个 Web 应用程序；Wrapper 表示一个 Servlet，一个 Web 应用程序中可能会有多个 Servlet；Host 代表的是一个虚拟主机，或者说一个站点，可以给 Tomcat 配置多个虚拟主机地址，而一个虚拟主机下可以部署多个 Web 应用程序；Engine 表示引擎，用来管理多个虚拟站点，一个 Service 最多只能有一个 Engine。

我们可以再通过 Tomcat 的 server.xml 配置文件来加深对 Tomcat 容器的理解。Tomcat 采用了组件化的设计，它的构成组件都是可配置的，其中最外层的是 Server，其他组件按照一定的格式要求配置在这个顶层容器中。

那 Tomcat 是怎么管理这些容器的呢？你会发现这些容器具有父子关系，形成一个树形结构，你可能马上就想到了设计模式中的组合模式。没错，Tomcat 就是用组合模式来管理这些容器的。具体实现方法是，所有容器组件都实现了 Container 接口，因此组合模式可以使得用户对单容器对象和组合容器对象的使用具有一致性。这里单容器对象指的是最底层的 Wrapper，组合容器对象指的是上面的 Context、Host 或者 Engine。Container 接口定义如下所示：

public interface Container extends Lifecycle {
    public void setName(String name);
    public Container getParent();
    public void setParent(Container container);
    public void addChild(Container child);
    public void removeChild(Container child);
    public Container findChild(String name);
}

我们在上面的接口看到了 getParent、setParent、addChild 和 removeChild 等方法，此外，Container 接口还扩展了 Lifecycle 接口，Lifecycle 接口用来统一管理各组件的生命周期。

2. 请求定位 Servlet 过程

设计了这么多层次的容器后，Tomcat 是怎么确定请求该由哪个 Wrapper 容器里的 Servlet 来处理的呢？实际上，Tomcat 是用 Mapper 组件来完成这个任务的。

Mapper 组件的功能就是将用户请求的 URL 定位到一个 Servlet，它的工作原理是：Mapper 组件里保存了 Web 应用的配置信息，其实就是容器组件与访问路径的映射关系，比如 Host 容器里配置的域名、Context 容器里的 Web 应用路径以及 Wrapper 容器里 Servlet 映射路径，可以想象这些配置信息就是一个多层次的 Map。当一个请求到来时，Mapper 组件通过解析请求 URL 里的域名和路径，再到自己保存的 Map 里去查找，就能定位到具体的一个 Servlet。注意，一个请求 URL 最后只会定位到一个 Wrapper 容器，也就是一个 Servlet。

下面通过一个例子来解释下这个定位的过程。假如有一个网购系统，有面向网站管理人员的后台管理系统，还有面向终端客户的在线购物系统。这两个系统跑在同一个 Tomcat 上，为了隔离它们的访问域名，配置了两个虚拟域名：manage.shopping.com 和 user.shopping.com，网站管理人员通过 manage.shopping.com 域名访问 Tomcat 去管理用户和商品，而用户管理和商品管理是两个单独的 Web 应用。终端客户通过 user.shopping.com域名去搜索商品和下订单，搜索功能和订单管理也是两个独立的 Web 应用。

针对这样的部署，Tomcat 会创建一个 Service 组件和一个 Engine 容器组件，在 Engine 容器下创建两个 Host 子容器，在每个 Host 容器下创建两个 Context 子容器。由于一个 Web 应用通常有多个 Servlet，Tomcat 还会在每个 Context 容器里创建多个 Wrapper 子容器。每个容器都有对应的访问路径，具体如下图所示：

假如有用户访问一个 URL，比如图中的 http://user.shopping.com:8080/order/buy，Tomcat 如何将这个 URL 定位到一个 Servlet 呢？

首先，根据协议和端口号选定 Service 和 Engine。

我们知道 Tomcat 的每个连接器都监听不同的端口，比如 Tomcat 默认的 HTTP 连接器监听 8080 端口、默认的 AJP 连接器监听 8009 端口。上面例子中的 URL 访问的是 8080 端口，因此这个请求会被 HTTP 连接器接收，而一个连接器是属于一个 Service 组件的，这样 Service 组件就确定了。我们知道一个 Service 组件里除了有多个连接器，还有一个容器组件，具体来说就是一个 Engine 容器，因此 Service 确定了也意味着 Engine 也确定了。

然后，根据域名选定 Host。

Service 和 Engine 确定后，Mapper 组件通过 URL 中的域名去查找相应的 Host 容器，比如例子中的 URL 访问的域名是 user.shopping.com，因此 Mapper 会找到 Host2 这个容器。

之后，根据 URL 路径找到 Context 组件。

Host 确定以后，Mapper 根据 URL 的路径来匹配相应的 Web 应用的路径，比如例子中访问的是 /order，因此找到了 Context4 这个 Context 容器。

最后，根据 URL 路径找到 Wrapper（Servlet）。

Context 确定后，Mapper 再根据 web.xml 中配置的 Servlet 映射路径来找到具体的 Wrapper 和 Servlet。

3. 容器调用链

需要注意的是，并不是说只有 Servlet 才会去处理请求，实际上这个查找路径上的父子容器都会对请求做一些处理。比如，连接器中的 Adapter 会调用容器的 Service 方法来执行 Servlet，最先拿到请求的是 Engine 容器，Engine 容器对请求做一些处理后，会把请求传给自己子容器 Host 继续处理，依次类推，最后这个请求会传给 Wrapper 容器，Wrapper 会调用最终的 Servlet 来处理。

那这个调用过程具体是怎么实现的呢？答案是使用 Pipeline-Valve 管道。Pipeline-Valve 是责任链模式，责任链模式是指在一个请求处理的过程中有很多处理者依次对请求进行处理，每个处理者负责做自己相应的处理，处理完之后将再调用下一个处理者继续处理。Valve 表示一个处理点，比如权限认证和记录日志。

public interface Valve {
    public Valve getNext();
    public void setNext(Valve valve);
    public void invoke(Request request, Response response)
}

由于 Valve 是一个处理点，因此 invoke 方法就是来处理请求的。而 Valve 中的 getNext 和 setNext 方法就是用来串联 Valve 链的。继续看 Pipeline 接口：

public interface Pipeline extends Contained {
    public void addValve(Valve valve);
    public Valve getBasic();
    public void setBasic(Valve valve);
    public Valve getFirst();
}

Pipeline 中维护了 Valve 链表，Valve 可以插入到 Pipeline 中，对请求做某些处理。我们还发现 Pipeline 中没有 invoke 方法，因为整个调用链的触发是 Valve 来完成的，Valve 完成自己的处理后，调用 getNext.invoke 来触发下一个 Valve 调用。

每一个容器都有一个 Pipeline 对象，只要触发这个 Pipeline 的第一个 Valve，这个容器里 Pipeline 中的 Valve 就都会被调用到。但不同容器的 Pipeline 是怎么链式触发的呢，比如 Engine 中 Pipeline 需要调用下层容器 Host 中的 Pipeline。这是因为 Pipeline 中还有个 getBasic 方法。这个 BasicValve 处于 Valve 链表的末端，它是 Pipeline 中必不可少的一个 Valve，负责调用下层容器的 Pipeline 里的第一个 Valve。具体调用链如下：

整个调用过程由连接器中的 Adapter 触发的，它会调用 Engine 的第一个 Valve：

// Calling the container
connector.getService().getContainer().getPipeline().getFirst().invoke(request, response);

Wrapper 容器的最后一个 Valve 会创建一个 Filter 链，并调用 doFilter 方法，最终会调到 Servlet 的 service 方法里。思考下，Valve 和 Filter 有什么区别吗？它们的区别是：

Valve 是 Tomcat 的私有机制，与 Tomcat 的基础架构/API 是紧耦合的。Servlet API 是公有的标准，所有的 Web 容器包括 Jetty 都支持 Filter 机制。
另一个重要区别是 Valve 工作在 Web 容器级别，拦截所有应用的请求；而 Servlet Filter 工作在应用级别，只能拦截某个 Web 应用的所有请求。如果想做整个 Web 容器的拦截器，必须通过 Valve 来实现。

Tomcat 整体架构