手寫Tomcat（二）—Tomcat簡化模型架構

一、 Tomcat架構

Tomcat的主要角色是 servlet容器，提供一個解釋器，能夠解析并執行JavaScript Object Notation (JON)腳本（后更改為Servlet），并將請求傳送到指定的服務器（如JavaBean）。因此，它是Servlet處理請求、與客戶端通信（RESTful API）以及處理服務器端業務邏輯的關鍵組件。

1.1 HttpServletRequest

HttpServletRequest類在模型中充當?HTTP請求的元數據載體，是連接網絡層（Connector）與業務層（Servlet）的橋梁。?

public class HttpServletRequest {private String url;public String method;public String getUrl() {return url;}public void setUrl(String url) {this.url = url;}public String getMethod() {return method;}public void setMethod(String method) {this.method = method;}
}

  • URL路徑：標識客戶端請求的資源位置（如/login）。

  • HTTP方法：明確操作類型（GET獲取、POST提交），用于路由到Servlet的正確處理邏輯。

與實際 Tomcat 實現的差異

簡化實現實際 Tomcat 的 HttpServletRequest
僅包含url和method字段包含完整的請求信息（頭、參數、會話、Cookie等）
直接通過Setter注入數據數據由Tomcat底層協議解析器自動填充
無協議規范校驗（如方法合法性）嚴格校驗HTTP協議規范（如方法名有效性）
無線程安全控制每個請求獨立實例，天然線程安全

1.2?HttpServletResponse

HttpServletResponse類在模型中充當?響應數據的輸出通道，是業務邏輯（Servlet）與網絡層（Connector）之間的橋梁。?

核心思想

  • 數據輸出本質：所有響應最終通過底層OutputStream發送字節流。

  • 分層設計：業務層無需關心網絡細節，只需操作抽象響應對象。

  • 協議封裝：實際Tomcat隱藏了HTTP協議拼接的復雜性。

public class HttpServletResponse {//用于持有輸出流，通過此流將數據發送到客戶端private OutputStream outputStream; //接收一個OutputStream（通常來自服務器Socket連接），以便后續寫入響應內容。public HttpServletResponse(OutputStream outputStream){this.outputStream = outputStream;}  //將字符串轉換為字節數組并寫入輸出流。public void write(String context) throws IOException {outputStream.write(context.getBytes());}
}

1. 響應數據輸出通道

????????持有輸出流：通過構造函數接收底層網絡輸出流（通常來自Tomcat的Connector模塊），直接操作字節流。

????????數據寫入：write()方法將字符串轉換為字節寫入流，完成響應體的發送。

2. 在請求處理流程中的角色

????????Connector階段：由連接器創建實例，并注入與客戶端Socket關聯的OutputStream。

????????Container階段：傳遞到Servlet的service()方法，供業務邏輯生成響應內容。

3. 基礎協議支持

????????僅處理響應體：直接寫入原始字節流，但未包含HTTP協議頭（如狀態碼、Content-Type）。

與實際 Tomcat 實現的差異

簡化實現實際 Tomcat 的 HttpServletResponse
僅支持直接寫入響應體支持自動管理狀態碼、響應頭、Cookies等
無編碼控制（默認平臺編碼）提供setCharacterEncoding()和setContentType()方法
無緩沖機制（直接寫Socket流）內置緩沖區（BufferedOutputStream）提升性能
無重定向/轉發支持支持sendRedirect()和forward()方法
無錯誤處理機制可調用sendError()返回標準錯誤頁面

1.3 servlet接口

servlet接口在模型中定義了?請求處理的唯一入口，是Tomcat將網絡層（Connector）與業務邏輯（開發者代碼）解耦的核心設計。?

核心思想

  • 面向接口編程：Tomcat通過接口調用開發者代碼，降低耦合度。

  • 請求-響應范式：所有Web交互抽象為request輸入和response輸出。

  • 容器管理：Servlet實例的創建、調用、銷毀由Tomcat控制，開發者聚焦業務邏輯。

public interface servlet {public void service(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response);
}

1. 業務邏輯的統一入口

  • 請求處理抽象化：所有具體業務邏輯（如用戶登錄、數據查詢）必須實現service()方法，Tomcat通過此方法將控制權交給開發者。

  • 協議無關性：開發者無需關心HTTP協議的解析細節（如報文拆分、狀態碼生成），只需操作request和response對象。

2. 在Tomcat處理流程中的角色

  • Container階段調用：當Tomcat完成URL匹配并確定目標Servlet后，調用其service()方法。

  • 流程控制樞紐：通過service()方法，開發者可以：

    • 讀取請求參數（request.getParameter()）。

    • 處理業務數據（如訪問數據庫）。

    • 生成響應內容（response.write()）。

3. 設計模式體現

  • 模板方法模式：實際Servlet實現類（如HttpServlet）通過重寫service()或具體方法（doGet()/doPost()）定義行為。

  • 控制反轉（IoC）：Tomcat容器控制Servlet生命周期及方法調用，開發者僅需實現接口。

與實際?javax.servlet.Servlet?接口的差異

簡化實現實際 Servlet 接口
僅定義service()方法包含init()、destroy()等生命周期方法
無配置參數支持可通過ServletConfig獲取初始化參數
直接處理HTTP協議通常繼承HttpServlet抽象類，實現doGet()等方法
無線程安全約束規范明確Servlet實例默認單例多線程調用，需開發者自行保證線程安全

1.4 HttpServlet

HttpServlet類在模型中實現了?HTTP方法的路由分發，是Tomcat將協議細節與業務邏輯分離的關鍵設計。?

核心思想

  • 職責分離：協議處理（方法路由）與業務邏輯（doXxx()）解耦。

  • 擴展性：通過覆蓋特定方法支持新功能，無需修改框架代碼。

  • 規范化：統一Servlet實現模式，降低開發者學習成本。

public abstract class HttpServlet implements servlet{//doGet方法public void doGet(HttpServletRequest request,HttpServletResponse response){}//doPost方法public void doPost(HttpServletRequest request,HttpServletResponse response){}//根據請求方式判斷調用的方法@Overridepublic void service(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {if(request.getMethod().equals("GET")){doGet(request,response);}else if(request.getMethod().equals("POST")){doPost(request,response);}}
}

核心作用?

1. HTTP方法的路由分發

  • 請求方法解耦：將不同HTTP方法（GET/POST）的處理邏輯分離到獨立方法（doGet()/doPost()），避免在service()中堆積條件判斷。

  • 開發者友好性：子類只需覆蓋關注的方法（如doGet()），無需重寫整個service()。

2. 在Tomcat處理流程中的角色

  • 容器調用入口：Tomcat調用service()方法后，自動根據請求方法觸發對應的doXxx()。

  • 模板方法模式：定義算法骨架（方法路由），具體步驟由子類實現。

3. 規范擴展性

  • 支持新HTTP方法：通過擴展service()方法（如添加doPut()），兼容更多HTTP方法。

  • 統一錯誤處理：可集中處理未實現的方法（如返回405狀態碼）。

與實際?HttpServlet?的差異

簡化實現實際 javax.servlet.http.HttpServlet
僅支持GET/POST方法支持所有HTTP方法（PUT/DELETE/HEAD等）
無HTTP協議版本處理區分HTTP/1.0和HTTP/1.1的語義差異
無默認錯誤響應自動返回405 Method Not Allowed?或?400 Bad Request
無線程安全提示明確說明Servlet實例需線程安全

1.5 SearchClassUtil

用于獲得某一個包下所有類的路徑

public class SearchClassUtil {public static List<String> classPaths = new ArrayList<>();public static List<String> searchClass(){//需要掃描的包名String basePath = "com.qcby.myweb";//將獲取到的包名轉換為路徑String classPath = SearchClassUtil.class.getResource("/").getPath();basePath = basePath.replace(".", File.separator);String searchPath = classPath + basePath;doPath(new File(searchPath),classPath);//得到指定包下所有類的絕對路徑，利用絕對路徑和Java反射機制得到類對象return classPaths;}/*** 該方法會得到所有的類，將類的絕對路徑你寫入到classPaths中* file*/private static void doPath(File file, String classpath) {if(file.isDirectory()){File[] files = file.listFiles();for(File f1:files){doPath(f1,classpath);}}else{if(file.getName().endsWith(".class")){String path = file.getPath().replace(classpath.replace("/","\\").replaceFirst("\\\\",""),"").replace("\\",".").replace(".class","");classPaths.add(path);}}}public static void main(String[] args) {List<String> classes = SearchClassUtil.searchClass();for(String s:classes){System.out.println(s);}}
}

運行結果

1.6 ResponseUtil

/*** 設置響應頭*/
public class ResponseUtil {public  static  final String responseHeader200 = "HTTP/1.1 200 \r\n"+"Content-Type:text/html\r\n"+"\r\n";public static String getResponseHeader404(){return "HTTP/1.1 404 \r\n"+"Content-Type:text/html\r\n"+"\r\n" + "404";}public static String getResponseHeader200(String context){return "HTTP/1.1 200\r\n"+"Content-Type:text/html\r\n"+"\r\n" + context;}}

1.7 XWServlet

核心目標：替代傳統的?web.xml?配置文件，通過聲明式編程將 Servlet 的 URL 映射路徑直接綁定到類上。?

  • URL 路徑映射：通過?url?屬性指定 Servlet 處理的請求路徑（如?/user）。

  • 自動化注冊：Tomcat 啟動時自動掃描帶有該注解的類，并將其注冊到容器中。

  • 零配置開發：開發者無需編寫?web.xml，直接在代碼中聲明路由規則。

@Target(ElementType.TYPE)       //僅允許標注在類或接口上
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)  //確保注解在運行時可通過反射獲取，這是Tomcat動態注冊 Servlet 的前提
public @interface XWServlet {String url() default "";   //指定 Servlet 的訪問路徑，默認值為空字符串（需開發者顯式配置）
}

1.8 TomcatRoute

public class TomcatRoute {public static HashMap<String, HttpServlet> map = new HashMap<>();static {List<String> paths = PackageUtil.getClassName("com.qcby.myweb");for(String path:paths){try {Class clazz = Class.forName(path);HttpServlet a = (HttpServlet) clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();XWServlet xwServlet = (XWServlet) clazz.getDeclaredAnnotation(XWServlet.class);map.put(xwServlet.url(),a);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
}

通過?PackageUtil獲取com.qcby.myweb包下的所有類路徑，并通過反射創建類對象，通過XWServlet 獲取類的url，將url及其對應的類對象放入到HashMap中。

1.9 MyTomcat

public class MyTomcat {static HashMap<String,HttpServlet> map = TomcatRoute.map;public static void dispatch(HttpServletRequest request,HttpServletResponse response){HttpServlet servlet = map.get(request.getUrl());if(servlet != null){servlet.service(request,response);}}public static void start() throws IOException {System.out.println("服務器啟動");ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8083);while (true){Socket socket = serverSocket.accept();InputStream inputStream = socket.getInputStream();HttpServletRequest request = new HttpServletRequest();BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));String str = reader.readLine();request.setMethod(str.split(" ")[0]);request.setUrl(str.split(" ")[1]);OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();HttpServletResponse response = new HttpServletResponse(outputStream);dispatch(request,response);}}public static void main(String[] args) throws IOException {start();}
}

1.9.1?dispatch?

public static void dispatch(HttpServletRequest request,HttpServletResponse response){HttpServlet servlet = map.get(request.getUrl());if(servlet != null){servlet.service(request,response);}
}

通過request中的url信息查找 其對應的類對象，若存在，則調用service方式。

1.9.2?Socket

在Tomcat中，Socket（套接字）是實現網絡通信的核心組件，主要用于處理客戶端與服務器之間的數據傳輸。?

數據從客戶端到Tomcat的傳遞

  1. 客戶端發起請求
    客戶端通過瀏覽器發送HTTP請求，數據經操作系統封裝為TCP/IP數據包，通過網卡傳輸到目標服務器。

  2. 網卡接收數據
    服務器的網卡接收到物理信號后，將其轉換為二進制數據流，傳遞給操作系統內核。

  3. Socket監聽與處理
    Tomcat的Connector組件通過Endpoint（如NioEndpoint）監聽指定端口，接受Socket連接。操作系統將數據流交給Tomcat的Socket實例，由Processor解析HTTP協議并生成Request對象。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?注：每個需要網絡的進程都要申請端口號，有些端口號是被明確占用的，如Mysql的端口號是3306，HTTP的端口號是8080。

  4. Servlet容器處理
    解析后的請求通過Adapter轉換為ServletRequest，由Servlet容器（如Engine、Host、Context）處理業務邏輯，生成響應數據。

  5. 響應返回客戶端
    響應數據通過Socket的輸出流發送回客戶端，經操作系統協議棧封裝后，由網卡轉換為物理信號傳輸到客戶端。

         System.out.println("服務器啟動..."); //1.定義ServerSocket對象進行服務器的端口注冊ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080); //端口號用于區分不同的進程while (true){//2.監聽客戶端的Socket連接程序Socket socket = serverSocket.accept();  //accept()--》用于阻塞監聽，沒有程序訪問時，停止執行，直到有程序訪問時，繼續執行下一步//3.從socket對象當中獲取到一個字節輸入流對象InputStream iStream = socket.getInputStream();HttpServletRequest request = new HttpServletRequest();BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));String str = reader.readLine();request.setMethod(str.split(" ")[0]);request.setUrl(str.split(" ")[1]);OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();HttpServletResponse response = new HttpServletResponse(outputStream);dispatch(request,response);}

代碼逐行解析?

1. 接受客戶端連接

Socket socket = serverSocket.accept();

阻塞等待客戶端連接，返回代表該連接的Socket對象。這是建立TCP通信的第一步。

Tomcat對應實現：
Tomcat的Connector組件（如NioEndpoint）負責監聽端口，使用NIO多路復用或BIO模型處理連接，而非簡單阻塞式accept()。實際會通過線程池高效管理連接。

2. 獲取輸入流

InputStream inputStream = socket.getInputStream();

獲取與客戶端Socket關聯的輸入流，用于讀取HTTP請求的原始字節數據。

Tomcat對應實現：
Tomcat的CoyoteAdapter會解析輸入流，將其封裝為org.apache.coyote.Request對象，處理協議細節（如HTTP頭、Chunked編碼）。

3. 創建請求對象

HttpServletRequest request = new HttpServletRequest();

實例化一個自定義的請求對象，用于承載解析后的請求信息（如URL、方法）。

Tomcat對應實現：
實際創建的是org.apache.catalina.connector.Request對象，包含完整的請求信息（參數、Session、頭信息等），由容器自動填充數據。

4. 包裝緩沖讀取器

BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));

將字節流轉換為字符流，便于按行讀取請求內容。

潛在問題：
直接使用BufferedReader可能無法正確處理二進制數據（如圖片上傳）。Tomcat底層使用ByteBuffer進行高效二進制解析。

5. 讀取請求行

String str = reader.readLine();

讀取HTTP請求的第一行（即請求行），格式為方法 URI 協議版本，例如：
GET /index.html HTTP/1.1

Tomcat對應實現：
通過Http11Processor解析請求行，嚴格校驗協議合規性（如方法名合法性），并提取完整URI和協議版本。

6. 解析HTTP方法與URL

request.setMethod(str.split(" ")[0]); ?// 如"GET"
request.setUrl(str.split(" ")[1]); ? ? // 如"/aa.java"

從請求行中提取HTTP方法和請求路徑，填充到請求對象中。

簡化問題：

未處理URI中的查詢參數（如/user?id=1中的id=1）。

未解析協議版本（如HTTP/1.1與HTTP/2差異）。

未處理可能的異常格式（如空路徑或非法方法）。

7. 獲取輸出流

OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();

獲取與客戶端Socket關聯的輸出流，用于向客戶端發送響應數據。

Tomcat對應實現：
輸出流會被包裝為org.apache.coyote.Response，支持緩沖、分塊傳輸（chunked encoding）和自動壓縮（如gzip）。

8. 創建響應對象

HttpServletResponse response = new HttpServletResponse(outputStream);

實例化自定義響應對象，關聯輸出流以便寫入響應內容。

Tomcat對應實現：
實際創建的是org.apache.catalina.connector.Response對象，管理狀態碼、響應頭和內容編碼。

9. 分發請求

dispatch(request, response);

將請求和響應對象傳遞給調度器，執行后續處理（如路由到Servlet或靜態資源）。

Tomcat對應實現：

容器層級路由：依次通過Engine→Host→Context→Wrapper，匹配對應的Servlet。

過濾器鏈執行：在調用Servlet前，執行所有匹配的Filter。

Servlet生命周期：調用service()方法，處理業務邏輯。

請求處理全流程圖示

客戶端│▼
Socket.accept()            // 建立連接│▼
InputStream → 解析請求行    // 讀取HTTP請求基礎信息│▼
創建Request/Response對象   // 封裝協議數據│▼
dispatch() → 路由到Servlet // 業務邏輯處理│▼
OutputStream → 返回響應     // 發送HTTP響應

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