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本系列以Tomcat 8.5.33為例分析Tomcat的啟動和請求處理過程。

啟動腳本

與Tomcat有關的腳本都在Tomcat主目錄的bin子目錄中，其中與啟動有關的腳本有startup.sh、catalina.sh和setclasspath.sh。啟動Tomcat時只需執行startup.sh即可，其內容如下：

# resolve links - $0 may be a softlink
PRG="$0"

while [ -h "$PRG" ] ; do
  ls=`ls -ld "$PRG"`
  link=`expr "$ls" : '.*-> \(.*\)$'`
  if expr "$link" : '/.*' > /dev/null; then
    PRG="$link"
  else
    PRG=`dirname "$PRG"`/"$link"
  fi
done

PRGDIR=`dirname "$PRG"`
EXECUTABLE=catalina.sh

# Check that target executable exists
if $os400; then
  # -x will Only work on the os400 if the files are:
  # 1. owned by the user
  # 2. owned by the PRIMARY group of the user
  # this will not work if the user belongs in secondary groups
  eval
else
  if [ ! -x "$PRGDIR"/"$EXECUTABLE" ]; then
    echo "Cannot find $PRGDIR/$EXECUTABLE"
    echo "The file is absent or does not have execute permission"
    echo "This file is needed to run this program"
    exit 1
  fi
fi

exec "$PRGDIR"/"$EXECUTABLE" start "$@"

該腳本主要做了兩件事：

用while循環處理符號鏈接，ls變量存ls命令的結果，link變量存符號鏈接指向的文件路徑，直到PRG的值不再是符號鏈接為止，以此找到Tomcat的主目錄；
exec命令執行catalina.sh，命令行參數由start和傳遞給startup.sh的命令行參數兩部分組成。

catalina.sh利用setclasspath.sh檢驗JRE環境，然后根據傳遞給腳本的的命令行參數啟動JVM，不同參數對應的分支代碼如下，傳給catalina.sh腳本的第一個命令行參數是給Bootstrap類傳遞的最后一個命令行參數。以默認情況為例，上文的startup.sh只為catalina.sh提供了start參數，則$@為空，因此會執行eval所示的代碼。

if [ "$1" = "debug" ] ; then
  # 省略部分代碼
elif [ "$1" = "run" ]; then
  # 省略部分代碼
elif [ "$1" = "start" ] ; then
  # 省略部分代碼
  shift
  touch "$CATALINA_OUT"
  if [ "$1" = "-security" ] ; then
    # 省略部分代碼
  else
    eval $_NOHUP "\"$_RUNJAVA\"" "\"$LOGGING_CONFIG\"" $LOGGING_MANAGER $JAVA_OPTS $CATALINA_OPTS \
      -D$ENDORSED_PROP="\"$JAVA_ENDORSED_DIRS\"" \
      -classpath "\"$CLASSPATH\"" \
      -Dcatalina.base="\"$CATALINA_BASE\"" \
      -Dcatalina.home="\"$CATALINA_HOME\"" \
      -Djava.io.tmpdir="\"$CATALINA_TMPDIR\"" \
      org.apache.catalina.startup.Bootstrap "$@" start \
      >> "$CATALINA_OUT" 2>&1 "&"
  fi

  if [ ! -z "$CATALINA_PID" ]; then
    echo $! > "$CATALINA_PID"
  fi

  echo "Tomcat started."
elif [ "$1" = "stop" ] ; then
  # 省略部分代碼
elif [ "$1" = "configtest" ] ; then
  # 省略部分代碼
elif [ "$1" = "version" ] ; then
  # 省略部分代碼
else
  echo "Usage: catalina.sh ( commands ... )"
  # 省略部分代碼
fi

用ps aux | grep tomcat可以看到對應的執行命令如下：

/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_131.jdk/Contents/Home/bin/java 
-Djava.util.logging.config.file=/Users/suntao/Documents/Workspace/apache-tomcat-8.5.33/conf/logging.properties
-Djava.util.logging.manager=org.apache.juli.ClassLoaderLogManager
-Djdk.tls.ephemeralDHKeySize=2048
-Djava.protocol.handler.pkgs=org.apache.catalina.webresources
-Dorg.apache.catalina.security.SecurityListener.UMASK=0027
-Dignore.endorsed.dirs= -classpath /Users/suntao/Documents/Workspace/apache-tomcat-8.5.33/bin/bootstrap.jar:/Users/suntao/Documents/Workspace/apache-tomcat-8.5.33/bin/tomcat-juli.jar
-Dcatalina.base=/Users/suntao/Documents/Workspace/apache-tomcat-8.5.33
-Dcatalina.home=/Users/suntao/Documents/Workspace/apache-tomcat-8.5.33
-Djava.io.tmpdir=/Users/suntao/Documents/Workspace/apache-tomcat-8.5.33/temp
org.apache.catalina.startup.Bootstrap start

虛擬機參數catalina.home是Tomcat的安裝目錄；
虛擬機參數catalina.base是Tomcat的工作目錄，在有多個Tomcat時可以與catalina.home不同；
主類是org.apache.catalina.startup.Bootstrap，命令行參數只有一個start。

Bootstrap類

Bootstrap類用于引導Tomcat的啟動過程。

成員變量

Bootstrap類的成員變量如下：

/**
 * Daemon object used by main.
 */
private static Bootstrap daemon = null;

private static final File catalinaBaseFile;
private static final File catalinaHomeFile;

/**
 * Daemon reference.
 */
private Object catalinaDaemon = null;

ClassLoader commonLoader = null;
ClassLoader catalinaLoader = null;
ClassLoader sharedLoader = null;

daemon引用一個Bootstrap實例，可以在啟動后接受其他命令如stop；
catalinaHomeFile表示Tomcat的安裝目錄；
catalinaBaseFile表示Tomcat的工作目錄；
catalinaDaemon表示正在運行的Catalina實例；
commonLoader、catalinaLoader和sharedLoader分別引用初始化過程中創建的三個類加載器。

靜態代碼塊

靜態代碼塊為catalinaHomeFile和catalinaBaseFile兩個靜態final成員變量賦值，其代碼如下：

static {
    // Will always be non-null
    String userDir = System.getProperty("user.dir");

    // Home first
    String home = System.getProperty(Globals.CATALINA_HOME_PROP);
    File homeFile = null;

    if (home != null) {
        File f = new File(home);
        try {
            homeFile = f.getCanonicalFile();
        } catch (IOException ioe) {
            homeFile = f.getAbsoluteFile();
        }
    }

    if (homeFile == null) {
        // First fall-back. See if current directory is a bin directory
        // in a normal Tomcat install
        File bootstrapJar = new File(userDir, "bootstrap.jar");

        if (bootstrapJar.exists()) {
            File f = new File(userDir, "..");
            try {
                homeFile = f.getCanonicalFile();
            } catch (IOException ioe) {
                homeFile = f.getAbsoluteFile();
            }
        }
    }

    if (homeFile == null) {
        // Second fall-back. Use current directory
        File f = new File(userDir);
        try {
            homeFile = f.getCanonicalFile();
        } catch (IOException ioe) {
            homeFile = f.getAbsoluteFile();
        }
    }

    catalinaHomeFile = homeFile;
    System.setProperty(
            Globals.CATALINA_HOME_PROP, catalinaHomeFile.getPath());

    // Then base
    String base = System.getProperty(Globals.CATALINA_BASE_PROP);
    if (base == null) {
        catalinaBaseFile = catalinaHomeFile;
    } else {
        File baseFile = new File(base);
        try {
            baseFile = baseFile.getCanonicalFile();
        } catch (IOException ioe) {
            baseFile = baseFile.getAbsoluteFile();
        }
        catalinaBaseFile = baseFile;
    }
    System.setProperty(
            Globals.CATALINA_BASE_PROP, catalinaBaseFile.getPath());
}

catalinaHomeFile變量保存Tomcat的安裝目錄，若系統屬性catalina.home存在則使用該屬性的值，否則若當前工作目錄中存在bootstrap.jar文件則使用當前工作目錄的父目錄，否則使用當前工作目錄；
catalinaBaseFile變量保存Tomcat的工作目錄，若系統屬性catalina.base存在則使用該屬性的值，否則與catalinaHomeFile相同；
最終，系統屬性catalina.home和catalina.base都會被重新賦值。

main方法

Bootstrap類的main方法代碼如下：

public static void main(String args[]) {
    if (daemon == null) {
        // Don't set daemon until init() has completed
        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        try {
            bootstrap.init();
        } catch (Throwable t) {
            handleThrowable(t);
            t.printStackTrace();
            return;
        }
        daemon = bootstrap;
    } else {
        // When running as a service the call to stop will be on a new
        // thread so make sure the correct class loader is used to prevent
        // a range of class not found exceptions.
        Thread.currentThread().setContextClassLoader(daemon.catalinaLoader);
    }

    try {
        String command = "start";
        if (args.length > 0) {
            command = args[args.length - 1];
        }

        if (command.equals("startd")) {
            args[args.length - 1] = "start";
            daemon.load(args);
            daemon.start();
        } else if (command.equals("stopd")) {
            args[args.length - 1] = "stop";
            daemon.stop();
        } else if (command.equals("start")) {
            daemon.setAwait(true);
            daemon.load(args);
            daemon.start();
        } else if (command.equals("stop")) {
            daemon.stopServer(args);
        } else if (command.equals("configtest")) {
            daemon.load(args);
            if (null==daemon.getServer()) {
                System.exit(1);
            }
            System.exit(0);
        } else {
            log.warn("Bootstrap: command \"" + command + "\" does not exist.");
        }
    } catch (Throwable t) {
        // Unwrap the Exception for clearer error reporting
        if (t instanceof InvocationTargetException &&
                t.getCause() != null) {
            t = t.getCause();
        }
        handleThrowable(t);
        t.printStackTrace();
        System.exit(1);
    }

}

從腳本啟動時，因為最后一個命令行參數是start，所以main方法會先執行init方法，然后執行load方法，最后是start方法；
其他命令行參數同理。

init方法

Bootstrap類的init方法代碼如下：

public void init() throws Exception {
    initClassLoaders();

    Thread.currentThread().setContextClassLoader(catalinaLoader);

    SecurityClassLoad.securityClassLoad(catalinaLoader);

    // Load our startup class and call its process() method
    if (log.isDebugEnabled())
        log.debug("Loading startup class");
    Class<?> startupClass = catalinaLoader.loadClass("org.apache.catalina.startup.Catalina");
    Object startupInstance = startupClass.getConstructor().newInstance();

    // Set the shared extensions class loader
    if (log.isDebugEnabled())
        log.debug("Setting startup class properties");
    String methodName = "setParentClassLoader";
    Class<?> paramTypes[] = new Class[1];
    paramTypes[0] = Class.forName("java.lang.ClassLoader");
    Object paramValues[] = new Object[1];
    paramValues[0] = sharedLoader;
    Method method = startupInstance.getClass().getMethod(methodName, paramTypes);
    method.invoke(startupInstance, paramValues);

    catalinaDaemon = startupInstance;
}

init方法主要做了以下事情：

調用initClassLoaders方法初始化類加載器；
將catalinaLoader設置為自己的線程上下文類加載器；
利用catalinaLoader加載Catalina類并實例化對象。

初始化類加載器

在初始化類加載器過程中涉及到Catalina配置文件的加載和解析，過程如下：

若JVM參數指定了catalina.config則從該屬性值表示的路徑加載配置文件，若文件存在則轉到4，否則轉到2；
嘗試加載${catalina.home}/conf/catalina.properties文件，若文件存在則轉到4，否則轉到3；
嘗試加載${catalina.home}/bin/bootstrap.jar中的org/apache/catalina/startup/catalina.properties文件；
將配置文件中的屬性和值復制到系統屬性中。

默認的${catalina.home}/conf/catalina.properties配置文件部分內容如下，bootstrap.jar中的配置文件與其相似：

package.access=sun.,org.apache.catalina.,org.apache.coyote.,org.apache.jasper.,org.apache.tomcat.
package.definition=sun.,java.,org.apache.catalina.,org.apache.coyote.,\
org.apache.jasper.,org.apache.naming.,org.apache.tomcat.
common.loader="${catalina.base}/lib","${catalina.base}/lib/*.jar","${catalina.home}/lib","${catalina.home}/lib/*.jar"
server.loader=
shared.loader=
// 省略一些代碼

initClassLoaders方法會創建三個類加載器：

commonLoader：父加載器是系統類加載器（ClassLoader類getSystemClassLoader方法的返回值），配置文件中以common.loader為鍵的屬性值表示的路徑會被添加到commonLoader的查找路徑中；
catalinaLoader：父加載器是commonLoader，配置文件中以server.loader為鍵的屬性值表示的路徑會被添加到catalinaLoader的查找路徑中；
sharedLoader：父加載器是commonLoader，配置文件中以shared.loader為鍵的屬性值表示的路徑會被添加到sharedLoader的查找路徑中；
若使用上述默認的配置文件，則${catalina.base}/lib目錄下未打包的類和資源、${catalina.base}/lib目錄下的jar、${catalina.home}/lib目錄下未打包的類和資源以及${catalina.home}/lib目錄下的jar都會被添加到commonLoader的搜索路徑中。

有關Tomcat的類加載器的更多信息可以參考Class Loader HOW-TO。

反射實例化Catalina類

在標準啟動（即從腳本啟動）時，啟動腳本為java命令傳遞了如下的參數：

-classpath /Users/suntao/Documents/Workspace/apache-tomcat-8.5.33/bin/bootstrap.jar:/Users/suntao/Documents/Workspace/apache-tomcat-8.5.33/bin/tomcat-juli.jar

可見應用類加載器只會從bootstrap.jar和tomcat-juli.jar中加載類。由于Bootstrap類存在于${catalina.home}/bin/bootstrap.jar，而Catalina類在只存在在于${catalina.home}/lib/catalina.jar，因此應用類加載器無法加載Catalina類，只能由創建的類加載器加載。

load方法

Bootstrap類的load方法代碼如下，利用反射在init方法生成的Catalina類實例上調用load方法，參數即為Bootstrap的命令行參數。

private void load(String[] arguments) throws Exception {
    // Call the load() method
    String methodName = "load";
    Object param[];
    Class<?> paramTypes[];
    if (arguments==null || arguments.length==0) {
        paramTypes = null;
        param = null;
    } else {
        paramTypes = new Class[1];
        paramTypes[0] = arguments.getClass();
        param = new Object[1];
        param[0] = arguments;
    }
    Method method =
        catalinaDaemon.getClass().getMethod(methodName, paramTypes);
    if (log.isDebugEnabled())
        log.debug("Calling startup class " + method);
    method.invoke(catalinaDaemon, param);
}

start方法

Bootstrap類的start方法代碼如下，利用反射在init方法生成的Catalina類實例上調用Catalina類實例的start方法。

public void start()
    throws Exception {
    if( catalinaDaemon==null ) init();
    Method method = catalinaDaemon.getClass().getMethod("start", (Class [] )null);
    method.invoke(catalinaDaemon, (Object [])null);
}

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Tomcat啟動分析(一) - Bootstrap類

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啟動腳本

Bootstrap類

成員變量

靜態代碼塊

main方法

init方法

初始化類加載器

反射實例化Catalina類

load方法

start方法

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