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# 05 | Tomcat系统架构（上）： 连接器是如何设计的？
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在面试时我们可能经常被问到：你做的XX项目的架构是如何设计的，请讲一下实现的思路。对于面试官来说，可以通过你对复杂系统设计的理解，了解你的技术水平以及处理复杂问题的思路。
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今天咱们就来一步一步分析Tomcat的设计思路，看看Tomcat的设计者们当时是怎么回答这个问题的。一方面我们可以学到Tomcat的总体架构，学会从宏观上怎么去设计一个复杂系统，怎么设计顶层模块，以及模块之间的关系；另一方面也为我们深入学习Tomcat的工作原理打下基础。
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## Tomcat总体架构
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我们知道如果要设计一个系统，首先是要了解需求。通过专栏前面的文章，我们已经了解了Tomcat要实现2个核心功能：
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* 处理Socket连接，负责网络字节流与Request和Response对象的转化。
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* 加载和管理Servlet，以及具体处理Request请求。
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**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。**
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所以连接器和容器可以说是Tomcat架构里最重要的两部分，需要你花些精力理解清楚。这两部分内容我会分成两期，今天我来分析连接器是如何设计的，下一期我会介绍容器的设计。
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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。
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Tomcat支持的I/O模型有：
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* NIO：非阻塞I/O，采用Java NIO类库实现。
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* NIO.2：异步I/O，采用JDK 7最新的NIO.2类库实现。
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* APR：采用Apache可移植运行库实现，是C/C++编写的本地库。
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Tomcat支持的应用层协议有：
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* HTTP/1.1：这是大部分Web应用采用的访问协议。
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* AJP：用于和Web服务器集成（如Apache）。
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* HTTP/2：HTTP 2.0大幅度的提升了Web性能。
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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。这里请你注意，Service本身没有做什么重要的事情，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。
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到此我们得到这样一张关系图：
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从图上你可以看到，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，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。
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## 连接器
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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。
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我们可以把连接器的功能需求进一步细化，比如：
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* 监听网络端口。
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* 接受网络连接请求。
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* 读取网络请求字节流。
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* 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。
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* 将Tomcat Request对象转成标准的ServletRequest。
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* 调用Servlet容器，得到ServletResponse。
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* 将ServletResponse转成Tomcat Response对象。
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* 将Tomcat Response转成网络字节流。
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* 将响应字节流写回给浏览器。
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需求列清楚后，我们要考虑的下一个问题是，连接器应该有哪些子模块？优秀的模块化设计应该考虑**高内聚、低耦合**。
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* **高内聚**是指相关度比较高的功能要尽可能集中，不要分散。
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* **低耦合**是指两个相关的模块要尽可能减少依赖的部分和降低依赖的程度，不要让两个模块产生强依赖。
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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：
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* 网络通信。
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* 应用层协议解析。
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* Tomcat Request/Response与ServletRequest/ServletResponse的转化。
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因此Tomcat的设计者设计了3个组件来实现这3个功能，分别是Endpoint、Processor和Adapter。
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组件之间通过抽象接口交互。这样做还有一个好处是**封装变化。**这是面向对象设计的精髓，将系统中经常变化的部分和稳定的部分隔离，有助于增加复用性，并降低系统耦合度。
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网络通信的I/O模型是变化的，可能是非阻塞I/O、异步I/O或者APR。应用层协议也是变化的，可能是HTTP、HTTPS、AJP。浏览器端发送的请求信息也是变化的。
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但是整体的处理逻辑是不变的，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。
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如果要支持新的I/O方案、新的应用层协议，只需要实现相关的具体子类，上层通用的处理逻辑是不变的。
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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。各种协议和通信模型的组合有相应的具体实现类。比如：Http11NioProtocol和AjpNioProtocol。
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除了这些变化点，系统也存在一些相对稳定的部分，因此Tomcat设计了一系列抽象基类来**封装这些稳定的部分**，抽象基类AbstractProtocol实现了ProtocolHandler接口。每一种应用层协议有自己的抽象基类，比如AbstractAjpProtocol和AbstractHttp11Protocol，具体协议的实现类扩展了协议层抽象基类。下面我整理一下它们的继承关系。
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通过上面的图，你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。
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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。
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下面我来详细介绍这两个顶层组件ProtocolHandler和Adapter。
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**ProtocolHandler组件**
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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2个重要部件：Endpoint和Processor，下面我来详细介绍它们的工作原理。
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* Endpoint
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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。
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Endpoint是一个接口，对应的抽象实现类是AbstractEndpoint，而AbstractEndpoint的具体子类，比如在NioEndpoint和Nio2Endpoint中，有两个重要的子组件：Acceptor和SocketProcessor。
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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。为了提高处理能力，SocketProcessor被提交到线程池来执行。而这个线程池叫作执行器（Executor)，我在后面的专栏会详细介绍Tomcat如何扩展原生的Java线程池。
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* Processor
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如果说Endpoint是用来实现TCP/IP协议的，那么Processor用来实现HTTP协议，Processor接收来自Endpoint的Socket，读取字节流解析成Tomcat Request和Response对象，并通过Adapter将其提交到容器处理，Processor是对应用层协议的抽象。
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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。
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我们再来看看连接器的组件图：
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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。
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到这里我们学习了ProtocolHandler的总体架构和工作原理，关于Endpoint的详细设计，后面我还会专门介绍Endpoint是如何最大限度地利用Java NIO的非阻塞以及NIO.2的异步特性，来实现高并发。
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**Adapter组件**
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我在前面说过，由于协议不同，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转成ServletRequest，再调用容器的service方法。
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## 本期精华
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Tomcat的整体架构包含了两个核心组件连接器和容器。连接器负责对外交流，容器负责内部处理。连接器用ProtocolHandler接口来封装通信协议和I/O模型的差异，ProtocolHandler内部又分为Endpoint和Processor模块，Endpoint负责底层Socket通信，Processor负责应用层协议解析。连接器通过适配器Adapter调用容器。
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通过对Tomcat整体架构的学习，我们可以得到一些设计复杂系统的基本思路。首先要分析需求，根据高内聚低耦合的原则确定子模块，然后找出子模块中的变化点和不变点，用接口和抽象基类去封装不变点，在抽象基类中定义模板方法，让子类自行实现抽象方法，也就是具体子类去实现变化点。
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## 课后思考
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回忆一下你在工作中曾经独立设计过的系统，或者你碰到过的设计类面试题，结合今天专栏的内容，你有没有一些新的思路？
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不知道今天的内容你消化得如何？如果还有疑问，请大胆的在留言区提问，也欢迎你把你的课后思考和心得记录下来，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得今天有所收获，欢迎你把它分享给你的朋友。
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