Tomcat原始碼分析2 之 Protocol實現分析
簡介
本文繼續以tomcat8 為例，簡單分析下Tomcat的幾種protocol的差異，以及處理連結的細節。
主要有以下內容：</br>
- tomcat protocol的分類</br>
- tomcat protocol的實現</br>
- 各個protocol的差異</br>
Tomcat protocol 配置
參考官方文件,tomcat protocol配置,可以看到protocol主要是有四種，預設使用的HTTP/1.1 ,對於tomcat8 以更高版本來說，HTTP/1.1的配置會預設使用nio來處理，也就是org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol。
其他的幾種：</br>
org.apache.coyote.http11.Http11Protocol java的bio connector，使用ServerSocket處理請求。</br>
org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol java的nio connector，使用SocketChannel處理請求.</br>
org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol java7新出的aio connector，使用AsynchronousSocketChannel處理請求。</br>
org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol tomcat的native library connector。(這個我們稍後再講)</br>
對於tomcat8 以更高版本來說，HTTP/1.1的配置會預設使用nio來處理，也就是org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol。由org.apache.catalina.connector.Connector的setProtocol()方法也可以看到：
public void setProtocol(String protocol) {
//如果配置了apr，會預設使用apr(apr後面再講)
if (AprLifecycleListener.isAprAvailable()) {
if ("HTTP/1.1".equals(protocol)) {
setProtocolHandlerClassName
("org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol");
} else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) {
setProtocolHandlerClassName
("org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol");
} else if (protocol != null) {
setProtocolHandlerClassName(protocol);
} else {
setProtocolHandlerClassName
("org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol");
}
} else {
//這裡可以看到，HTTP/1.1是server.xml的預設配置，會預設使用nio處理
if ("HTTP/1.1".equals(protocol)) {
setProtocolHandlerClassName
("org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol");
} else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) {
setProtocolHandlerClassName
("org.apache.coyote.ajp.AjpNioProtocol");
} else if (protocol != null) {
//其他情況下，使用指定的protocol
setProtocolHandlerClassName(protocol);
}
}
}
Tomcat protocol的處理流程
在Connector的startInternal()方法會啟動protocol
@Override
protected void startInternal() throws LifecycleException {
// Validate settings before starting
...
try {
protocolHandler.start();
} catch (Exception e) {
...
}
}
這裡的protocolHandler，就是上面setProtocol()方法指定的protocol。暫時以Http11NioProtocol為例，分析下請求處理流程。上面startInternal()方法接下來會到org.apache.coyote.AbstractProtocol的start()方法。
@Override
public void start() throws Exception {
if (getLog().isInfoEnabled())
getLog().info(sm.getString("abstractProtocolHandler.start",
getName()));
try {
//每個protocol都有一個對應的enpoint，最終是由endpoint來負責處理連結的。
endpoint.start();
} catch (Exception ex) {
getLog().error(sm.getString("abstractProtocolHandler.startError",
getName()), ex);
throw ex;
}
}
每個protocol對應了一個Endpoint</br>
Http11Protocol對應org.apache.tomcat.util.net.JIoEndpoint</br>
Http11NioProtocol對應org.apache.tomcat.util.net.NioEndpoint</br>
Http11Nio2Protocol對應org.apache.tomcat.util.net.Nio2Endpoint</br>
繼續檢視Nio2Endpoint的startInternal()方法.
@Override
public void startInternal() throws Exception {
if (!running) {
...
//初始化最大連線數限制，在server.xml中可配置
initializeConnectionLatch();
// Start poller threads
// poller 主要負責檢查各個 Selector 的狀態以及處理超時等
pollers = new Poller[getPollerThreadCount()];
for (int i=0; i<pollers.length; i++) {
pollers[i] = new Poller();
Thread pollerThread = new Thread(pollers[i], getName() + "-ClientPoller-"+i);
pollerThread.setPriority(threadPriority);
pollerThread.setDaemon(true);
pollerThread.start();
}
//啟動接受連結的執行緒
startAcceptorThreads();
}
}
startAcceptorThreads()方法會啟動Endpoint內部的Acceptor。繼續檢視org.apache.tomcat.util.net.NioEndpoint.Acceptor的run()方法:
@Override
public void run() {
...
// Loop until we receive a shutdown command
while (running) {
...
try {
//檢查下當前是否已經達到了最大連結數
//if we have reached max connections, wait
countUpOrAwaitConnection();
SocketChannel socket = null;
try {
// Accept the next incoming connection from the server socket
socket = serverSock.accept();
} catch (IOException ioe) {
...
}
// Successful accept, reset the error delay
errorDelay = 0;
// setSocketOptions() will add channel to the poller if successful
// setSocketOptions 會把channel新增到poller
if (running && !paused) {
if (!setSocketOptions(socket)) {
countDownConnection();
closeSocket(socket);
}
} else {
countDownConnection();
closeSocket(socket);
}
} ...
}
state = AcceptorState.ENDED;
}
}
從程式碼中可以看到，使用 SocketChannel 接受連線，然後通過 setSocketOptions 方法把 channel 交給 poller 處理。setSocketOptions(SocketChannel socket) 方法則是真正處理連結的地方。
protected boolean setSocketOptions(SocketChannel socket) {
// Process the connection
try {
//disable blocking, APR style, we are gonna be polling it
socket.configureBlocking(false);
Socket sock = socket.socket();
socketProperties.setProperties(sock);
NioChannel channel = nioChannels.pop();
...
//會把 呼叫poller的 register 方法，把 channel 交給 poller
getPoller0().register(channel);
} catch (Throwable t) {
...
}
return true;
}
getPoller0() 會根據設定的poll執行緒數，返回一個當前可用的 Poller 物件，使用Round robin演算法實現一個簡單的負載均衡。
public Poller getPoller0() {
int idx = Math.abs(pollerRotater.incrementAndGet()) % pollers.length;
return pollers[idx];
}
接下來檢視 register()方法
public void register(final NioChannel socket) {
socket.setPoller(this);
// 新建一個 KeyAttachment 物件，儲存跟socket相關的一些資訊
KeyAttachment ka = new KeyAttachment(socket);
ka.setPoller(this);
ka.setTimeout(getSocketProperties().getSoTimeout());
ka.setKeepAliveLeft(NioEndpoint.this.getMaxKeepAliveRequests());
ka.setSecure(isSSLEnabled());
PollerEvent r = eventCache.pop();
ka.interestOps(SelectionKey.OP_READ);//this is what OP_REGISTER turns into.
if ( r==null) r = new PollerEvent(socket,ka,OP_REGISTER);
else r.reset(socket,ka,OP_REGISTER);
//比較重要的是這句，把 r 新增到當前的 events 佇列中。
addEvent(r);
}
上面可以看到，每個請求進來之後，會通過 register 方法建立一個 PollerEvent 物件並新增到當前的 SynchronizedQueue<PollerEvent> events 佇列中。
接下來看 Poller的run()方法，上面已經說過，Poller 在startInternal()方法呼叫的時候建立並啟動。
@Override
public void run() {
// Loop until destroy() is called
while (true) {
try {
...
boolean hasEvents = false;
// Time to terminate?
if (close) {
events();
timeout(0, false);
...
break;
} else {
//呼叫 events() 方法
hasEvents = events();
}
}
...
}//while
stopLatch.countDown();
}
接下來檢視events()方法
public boolean events() {
boolean result = false;
PollerEvent pe = null;
while ( (pe = events.poll()) != null ) {
result = true;
try {
//呼叫 PollerEvent 的 run() 方法
pe.run();
pe.reset();
if (running && !paused) {
eventCache.push(pe);
}
} catch ( Throwable x ) {
log.error("",x);
}
}
return result;
}
可以看到，在tomcat啟動之後，會啟動相應的endpoint的Acceptor來接受請求，同時啟動相應的Poller來處理請求。</br>
PollerEvent的run方法
@Override
public void run() {
//對於新增的連結，會註冊給 poller 的 selector 處理。
if ( interestOps == OP_REGISTER ) {
try {
//把當前的key註冊給poller中的selector物件，準備後續處理。
socket.getIOChannel().register(socket.getPoller().getSelector(), SelectionKey.OP_READ, key);
} catch (Exception x) {
log.error("", x);
}
} else {
...
}//end if
}//run
再回過來看 Poller 的 run() 方法。裡面有一段
while (iterator != null && iterator.hasNext()) {
SelectionKey sk = iterator.next();
KeyAttachment attachment = (KeyAttachment)sk.attachment();
// Attachment may be null if another thread has called
// cancelledKey()
if (attachment == null) {
iterator.remove();
} else {
attachment.access();
iterator.remove();
processKey(sk, attachment);
}
}//while
會檢查selector所有的key，然後處理呼叫processKey()進行處理。processKey() 會根據配置的Executer呼叫SocketProcessor的 run() 方法.
接下來看SocketProcessor的run()方法最終會呼叫doRun()方法，在doRun()裡有如下程式碼：
if (status == null) {
state = handler.process(ka, SocketStatus.OPEN_READ);
} else {
state = handler.process(ka, status);
}
接下來會呼叫到handler的process方法，這個handler就是在Http11NioProtocol的構造方法裡由setHandler設定的handler，也就是Http11ConnectionHandler 繼承了 AbstractConnectionHandler,接著來到 org.apache.coyote.AbstractProtocol.AbstractConnectionHandler 的 process方法，這裡會對每個socket做處理。包括呼叫具體的servlet處理業務等等。
總結
tomcat在啟動的時候，根據配置的protocol，啟動不同的Endpoint中的Acceptor 和 Poller。Acceptor負責接受請求，Poller負責呼叫執行緒池執行業務。
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