本文以 Tomcat 5 為基礎，也兼顧Tomcat 6 和 Tomcat 4。Tomcat 的基本設計思路和架構是具有一定連續性的。
Tomcat 總體結構
Tomcat 的結構很複雜，但是 Tomcat 也非常的子產品化，找到了 Tomcat 最核心的子產品，您就抓住了 Tomcat 的“七寸”。下面是 Tomcat 的總體結構圖：
圖 1.Tomcat 的總體結構
從上圖中可以看出 Tomcat 的心髒是兩個元件：Connector 和 Container，關于這兩個元件将在後面詳細介紹。Connector 元件是可以被替換，這樣可以提供給伺服器設計者更多的選擇，因為這個元件是如此重要，不僅跟伺服器的設計的本身，而且和不同的應用場景也十分相關，是以一個 Container 可以選擇對應多個 Connector。多個 Connector 和一個 Container 就形成了一個 Service，Service 的概念大家都很熟悉了，有了 Service 就可以對外提供服務了，但是 Service 還要一個生存的環境，必須要有人能夠給她生命、掌握其生死大權，那就非 Server 莫屬了。是以整個 Tomcat 的生命周期由 Server 控制。
以 Service 作為“婚姻”
我們将 Tomcat 中 Connector、Container 作為一個整體比作一對情侶的話，Connector 主要負責對外交流，可以比作為 Boy，Container 主要處理 Connector 接受的請求，主要是處理内部事務，可以比作為 Girl。那麼這個 Service 就是連接配接這對男女的結婚證了。是 Service 将它們連接配接在一起，共同組成一個家庭。當然要組成一個家庭還要很多其它的元素。
說白了，Service 隻是在 Connector 和 Container 外面多包一層，把它們組裝在一起，向外面提供服務，一個 Service 可以設定多個 Connector，但是隻能有一個 Container 容器。這個 Service 接口的方法清單如下：
圖 2. Service 接口
從 Service 接口中定義的方法中可以看出，它主要是為了關聯 Connector 和 Container，同時會初始化它下面的其它元件，注意接口中它并沒有規定一定要控制它下面的元件的生命周期。所有元件的生命周期在一個 Lifecycle 的接口中控制，這裡用到了一個重要的設計模式，關于這個接口将在後面介紹。
Tomcat 中 Service 接口的标準實作類是 StandardService 它不僅實作了 Service 借口同時還實作了 Lifecycle 接口，這樣它就可以控制它下面的元件的生命周期了。StandardService 類結構圖如下：
圖 3. StandardService 的類結構圖
從上圖中可以看出除了 Service 接口的方法的實作以及控制元件生命周期的 Lifecycle 接口的實作，還有幾個方法是用于在事件監聽的方法的實作，不僅是這個 Service 元件，Tomcat 中其它元件也同樣有這幾個方法，這也是一個典型的設計模式，将在後面介紹。
下面看一下 StandardService 中主要的幾個方法實作的代碼，下面是 setContainer 和 addConnector 方法的源碼：
清單 1. StandardService. SetContainer
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 | |
這段代碼很簡單，其實就是先判斷目前的這個 Service 有沒有已經關聯了 Container，如果已經關聯了，那麼去掉這個關聯關系—— oldContainer.setService(null)。如果這個 oldContainer 已經被啟動了，結束它的生命周期。然後再替換新的關聯、再初始化并開始這個新的 Container 的生命周期。最後将這個過程通知感興趣的事件監聽程式。這裡值得注意的地方就是，修改 Container 時要将新的 Container 關聯到每個 Connector，還好 Container 和 Connector 沒有雙向關聯，不然這個關聯關系将會很難維護。
清單 2. StandardService. addConnector
|
上面是 addConnector 方法，這個方法也很簡單，首先是設定關聯關系，然後是初始化工作，開始新的生命周期。這裡值得一提的是，注意 Connector 用的是數組而不是 List 集合，這個從性能角度考慮可以了解，有趣的是這裡用了數組但是并沒有向我們平常那樣，一開始就配置設定一個固定大小的數組，它這裡的實作機制是：重新建立一個目前大小的數組對象，然後将原來的數組對象 copy 到新的數組中，這種方式實作了類似的動态數組的功能，這種實作方式，值得我們以後拿來借鑒。
最新的 Tomcat6 中 StandardService 也基本沒有變化，但是從 Tomcat5 開始 Service、Server 和容器類都繼承了 MBeanRegistration 接口，Mbeans 的管理更加合理。
以 Server 為“居”
前面說一對情侶因為 Service 而成為一對夫妻，有了能夠組成一個家庭的基本條件，但是它們還要有個實體的家，這是它們在社會上生存之本，有了家它們就可以安心的為人民服務了，一起為社會創造财富。
Server 要完成的任務很簡單，就是要能夠提供一個接口讓其它程式能夠通路到這個 Service 集合、同時要維護它所包含的所有 Service 的生命周期，包括如何初始化、如何結束服務、如何找到别人要通路的 Service。還有其它的一些次要的任務，如您住在這個地方要向當地政府去登記啊、可能還有要配合當地公安機關日常的安全檢查什麼的。
Server 的類結構圖如下：
圖 4. Server 的類結構圖
它的标準實作類 StandardServer 實作了上面這些方法，同時也實作了 Lifecycle、MbeanRegistration 兩個接口的所有方法，下面主要看一下 StandardServer 重要的一個方法 addService 的實作：
清單 3. StandardServer.addService
|
從上面第一句就知道了 Service 和 Server 是互相關聯的，Server 也是和 Service 管理 Connector 一樣管理它，也是将 Service 放在一個數組中，後面部分的代碼也是管理這個新加進來的 Service 的生命周期。Tomcat6 中也是沒有什麼變化的。
元件的生命線“Lifecycle”
前面一直在說 Service 和 Server 管理它下面元件的生命周期，那它們是如何管理的呢？
Tomcat 中元件的生命周期是通過 Lifecycle 接口來控制的，元件隻要繼承這個接口并實作其中的方法就可以統一被擁有它的元件控制了，這樣一層一層的直到一個最進階的元件就可以控制 Tomcat 中所有元件的生命周期，這個最高的元件就是 Server，而控制 Server 的是 Startup，也就是您啟動和關閉 Tomcat。
下面是 Lifecycle 接口的類結構圖：
圖 5. Lifecycle 類結構圖
除了控制生命周期的 Start 和 Stop 方法外還有一個監聽機制，在生命周期開始和結束的時候做一些額外的操作。這個機制在其它的架構中也被使用，如在 Spring 中。關于這個設計模式會在後面介紹。
Lifecycle 接口的方法的實作都在其它元件中，就像前面中說的，元件的生命周期由包含它的父元件控制，是以它的 Start 方法自然就是調用它下面的元件的 Start 方法，Stop 方法也是一樣。如在 Server 中 Start 方法就會調用 Service 元件的 Start 方法，Server 的 Start 方法代碼如下：
清單 4. StandardServer.Start
|
監聽的代碼會包圍 Service 元件的啟動過程，就是簡單的循環啟動所有 Service 元件的 Start 方法，但是所有 Service 必須要實作 Lifecycle 接口，這樣做會更加靈活。
Server 的 Stop 方法代碼如下：
清單 5. StandardServer.Stop
|
它所要做的事情也和 Start 方法差不多。
Connector 元件
Connector 元件是 Tomcat 中兩個核心元件之一，它的主要任務是負責接收浏覽器的發過來的 tcp 連接配接請求，建立一個 Request 和 Response 對象分别用于和請求端交換資料，然後會産生一個線程來處理這個請求并把産生的 Request 和 Response 對象傳給處理這個請求的線程，處理這個請求的線程就是 Container 元件要做的事了。
由于這個過程比較複雜，大體的流程可以用下面的順序圖來解釋：
圖 6. Connector 處理一次請求順序圖
（檢視清晰大圖）
Tomcat5 中預設的 Connector 是 Coyote，這個 Connector 是可以選擇替換的。Connector 最重要的功能就是接收連接配接請求然後配置設定線程讓 Container 來處理這個請求，是以這必然是多線程的，多線程的處理是 Connector 設計的核心。Tomcat5 将這個過程更加細化，它将 Connector 劃分成 Connector、Processor、Protocol, 另外 Coyote 也定義自己的 Request 和 Response 對象。
下面主要看一下 Tomcat 中如何處理多線程的連接配接請求，先看一下 Connector 的主要類圖：
圖 7. Connector 的主要類圖
看一下 HttpConnector 的 Start 方法：
清單 6. HttpConnector.Start
|
threadStart() 執行就會進入等待請求的狀态，直到一個新的請求到來才會激活它繼續執行，這個激活是在 HttpProcessor 的 assign 方法中，這個方法是代碼如下
：
清單 7. HttpProcessor.assign
|
建立 HttpProcessor 對象是會把 available 設為 false，是以當請求到來時不會進入 while 循環，将請求的 socket 賦給當期處理的 socket，并将 available 設為 true，當 available 設為 true 是 HttpProcessor 的 run 方法将被激活，接下去将會處理這次請求。
Run 方法代碼如下：
清單 8. HttpProcessor.Run
|
解析 socket 的過程在 process 方法中，process 方法的代碼片段如下：
清單 9. HttpProcessor.process
| 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 | |
當 Connector 将 socket 連接配接封裝成 request 和 response 對象後接下來的事情就交給 Container 來處理了。
Servlet 容器“Container”
Container 是容器的父接口，所有子容器都必須實作這個接口，Container 容器的設計用的是典型的責任鍊的設計模式，它有四個子容器元件構成，分别是：Engine、Host、Context、Wrapper，這四個元件不是平行的，而是父子關系，Engine 包含 Host,Host 包含 Context，Context 包含 Wrapper。通常一個 Servlet class 對應一個 Wrapper，如果有多個 Servlet 就可以定義多個 Wrapper，如果有多個 Wrapper 就要定義一個更高的 Container 了，如 Context，Context 通常就是對應下面這個配置：
清單 10. Server.xml
|
容器的總體設計
Context 還可以定義在父容器 Host 中，Host 不是必須的，但是要運作 war 程式，就必須要 Host，因為 war 中必有 web.xml 檔案，這個檔案的解析就需要 Host 了，如果要有多個 Host 就要定義一個 top 容器 Engine 了。而 Engine 沒有父容器了，一個 Engine 代表一個完整的 Servlet 引擎。
那麼這些容器是如何協同工作的呢？先看一下它們之間的關系圖：
圖 8. 四個容器的關系圖
當 Connector 接受到一個連接配接請求時，将請求交給 Container，Container 是如何處理這個請求的？這四個元件是怎麼分工的，怎麼把請求傳給特定的子容器的呢？又是如何将最終的請求交給 Servlet 處理。下面是這個過程的時序圖：
圖 9. Engine 和 Host 處理請求的時序圖
這裡看到了 Valve 是不是很熟悉，沒錯 Valve 的設計在其他架構中也有用的，同樣 Pipeline 的原理也基本是相似的，它是一個管道，Engine 和 Host 都會執行這個 Pipeline，您可以在這個管道上增加任意的 Valve，Tomcat 會挨個執行這些 Valve，而且四個元件都會有自己的一套 Valve 集合。您怎麼才能定義自己的 Valve 呢？在 server.xml 檔案中可以添加，如給 Engine 和 Host 增加一個 Valve 如下：
清單 11. Server.xml
|
StandardEngineValve 和 StandardHostValve 是 Engine 和 Host 的預設的 Valve，它們是最後一個 Valve 負責将請求傳給它們的子容器，以繼續往下執行。
前面是 Engine 和 Host 容器的請求過程，下面看 Context 和 Wrapper 容器時如何處理請求的。下面是處理請求的時序圖：
圖 10. Context 和 wrapper 的處理請求時序圖
從 Tomcat5 開始，子容器的路由放在了 request 中，request 中儲存了目前請求正在處理的 Host、Context 和 wrapper。
Engine 容器
Engine 容器比較簡單，它隻定義了一些基本的關聯關系，接口類圖如下：
圖 11. Engine 接口的類結構
它的标準實作類是 StandardEngine，這個類注意一點就是 Engine 沒有父容器了，如果調用 setParent 方法時将會報錯。添加子容器也隻能是 Host 類型的，代碼如下：
清單 12. StandardEngine. addChild
|
它的初始化方法也就是初始化和它相關聯的元件，以及一些事件的監聽。
Host 容器
Host 是 Engine 的字容器，一個 Host 在 Engine 中代表一個虛拟主機，這個虛拟主機的作用就是運作多個應用，它負責安裝和展開這些應用，并且辨別這個應用以便能夠區分它們。它的子容器通常是 Context，它除了關聯子容器外，還有就是儲存一個主機應該有的資訊。
下面是和 Host 相關的類關聯圖：
圖 12. Host 相關的類圖
從上圖中可以看出除了所有容器都繼承的 ContainerBase 外，StandardHost 還實作了 Deployer 接口，上圖清楚的列出了這個接口的主要方法，這些方法都是安裝、展開、啟動和結束每個 web application。
Deployer 接口的實作是 StandardHostDeployer，這個類實作了的最要的幾個方法，Host 可以調用這些方法完成應用的部署等。
Context 容器
Context 代表 Servlet 的 Context，它具備了 Servlet 運作的基本環境，理論上隻要有 Context 就能運作 Servlet 了。簡單的 Tomcat 可以沒有 Engine 和 Host。
Context 最重要的功能就是管理它裡面的 Servlet 執行個體，Servlet 執行個體在 Context 中是以 Wrapper 出現的，還有一點就是 Context 如何才能找到正确的 Servlet 來執行它呢？ Tomcat5 以前是通過一個 Mapper 類來管理的，Tomcat5 以後這個功能被移到了 request 中，在前面的時序圖中就可以發現擷取子容器都是通過 request 來配置設定的。
Context 準備 Servlet 的運作環境是在 Start 方法開始的，這個方法的代碼片段如下：
清單 13. StandardContext.start
| 58 59 60 61 62 | |
它主要是設定各種資源屬性和管理元件，還有非常重要的就是啟動子容器和 Pipeline。
我們知道 Context 的配置檔案中有個 reloadable 屬性，如下面配置：
清單 14. Server.xml
|
當這個 reloadable 設為 true 時，war 被修改後 Tomcat 會自動的重新加載這個應用。如何做到這點的呢 ? 這個功能是在 StandardContext 的 backgroundProcess 方法中實作的，這個方法的代碼如下：
清單 15. StandardContext. backgroundProcess
|
它會調用 reload 方法，而 reload 方法會先調用 stop 方法然後再調用 Start 方法，完成 Context 的一次重新加載。可以看出執行 reload 方法的條件是 reloadable 為 true 和應用被修改，那麼這個 backgroundProcess 方法是怎麼被調用的呢？
這個方法是在 ContainerBase 類中定義的内部類 ContainerBackgroundProcessor 被周期調用的，這個類是運作在一個背景線程中，它會周期的執行 run 方法，它的 run 方法會周期調用所有容器的 backgroundProcess 方法，因為所有容器都會繼承 ContainerBase 類，是以所有容器都能夠在 backgroundProcess 方法中定義周期執行的事件。
Wrapper 容器
Wrapper 代表一個 Servlet，它負責管理一個 Servlet，包括的 Servlet 的裝載、初始化、執行以及資源回收。Wrapper 是最底層的容器，它沒有子容器了，是以調用它的 addChild 将會報錯。
Wrapper 的實作類是 StandardWrapper，StandardWrapper 還實作了擁有一個 Servlet 初始化資訊的 ServletConfig，由此看出 StandardWrapper 将直接和 Servlet 的各種資訊打交道。
下面看一下非常重要的一個方法 loadServlet，代碼片段如下：
清單 16. StandardWrapper.loadServlet
|
它基本上描述了對 Servlet 的操作，當裝載了 Servlet 後就會調用 Servlet 的 init 方法，同時會傳一個 StandardWrapperFacade 對象給 Servlet，這個對象包裝了 StandardWrapper，ServletConfig 與它們的關系圖如下：
圖 13. ServletConfig 與 StandardWrapperFacade、StandardWrapper 的關系
Servlet 可以獲得的資訊都在 StandardWrapperFacade 封裝，這些資訊又是在 StandardWrapper 對象中拿到的。是以 Servlet 可以通過 ServletConfig 拿到有限的容器的資訊。
當 Servlet 被初始化完成後，就等着 StandardWrapperValve 去調用它的 service 方法了，調用 service 方法之前要調用 Servlet 所有的 filter。
Tomcat 中其它元件
Tomcat 還有其它重要的元件，如安全元件 security、logger 日志元件、session、mbeans、naming 等其它元件。這些元件共同為 Connector 和 Container 提供必要的服務。
![Java小案例——随機數猜測随機數猜測[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)