springboot内嵌tomcat代码走读(一)

花了一个礼拜的时间,大致走读了一下springboot内嵌tomcat的代码,为下一步自己实现一个web容器做知识储备。这里对走读的代码做一个大致的记录。

springboot内嵌tomcat

我们知道,springboot自动装配的相关功能封装在spring-boot-autoconfigure包中。这里通过走读spring-boot的2.4.0-M版本的代码来大致看一下tomcat的启动过程。
首先,写一个简单的demo,调用springboot的run方法,一步一步来看tomcat如何启动的。

@SpringBootApplication
public class TestApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(TestApplication.class);
    }
}

查看run方法里做了什么。

public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {
        StopWatch stopWatch = new StopWatch();
        stopWatch.start();
        ConfigurableApplicationContext context = null;
        Collection<SpringBootExceptionReporter> exceptionReporters = new ArrayList<>();
        configureHeadlessProperty();
        SpringApplicationRunListeners listeners = getRunListeners(args);
        listeners.starting();
        try {
            //封装参数
            ApplicationArguments applicationArguments = new DefaultApplicationArguments(args);
            //准备springboot运行相关的环境
            ConfigurableEnvironment environment = prepareEnvironment(listeners, applicationArguments);
            configureIgnoreBeanInfo(environment);
            Banner printedBanner = printBanner(environment);
            //确定spring的上下文信息,这里是webservlet类型,通过反射得到AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext
            context = createApplicationContext();
            exceptionReporters = getSpringFactoriesInstances(SpringBootExceptionReporter.class,
                    new Class<?>[] { ConfigurableApplicationContext.class }, context);
            prepareContext(context, environment, listeners, applicationArguments, printedBanner);
            //这里真正调到spring里,进行bean的初始化
            refreshContext(context);
            afterRefresh(context, applicationArguments);
            stopWatch.stop();
            if (this.logStartupInfo) {
                new StartupInfoLogger(this.mainApplicationClass).logStarted(getApplicationLog(), stopWatch);
            }
            listeners.started(context);
            callRunners(context, applicationArguments);
        }
        catch (Throwable ex) {
            handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, listeners);
            throw new IllegalStateException(ex);
        }

        try {
            listeners.running(context);
        }
        catch (Throwable ex) {
            handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, null);
            throw new IllegalStateException(ex);
        }
        return context;
    }

这里,初始化的context是一个AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext。我们看一下该类的继承关系。

AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext.png

本篇日记重点看的就是refreshContext(context),这个真正的进入spring bean的处理。也在这个方法里,进行了tomcat的初始化及启动。继续走读这个方法的代码。一步一步跟下去,就进入了AbstractApplicationContextrefresh方法中。方法的代码如下:

public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
        synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
            // Prepare this context for refreshing.
            prepareRefresh();

            // Tell the subclass to refresh the internal bean factory.
            ConfigurableListableBeanFactory beanFactory = obtainFreshBeanFactory();

            // Prepare the bean factory for use in this context.
            prepareBeanFactory(beanFactory);

            try {
                // Allows post-processing of the bean factory in context subclasses.
                postProcessBeanFactory(beanFactory);

                // Invoke factory processors registered as beans in the context.
                invokeBeanFactoryPostProcessors(beanFactory);

                // Register bean processors that intercept bean creation.
                registerBeanPostProcessors(beanFactory);

                // Initialize message source for this context.
                initMessageSource();

                // Initialize event multicaster for this context.
                initApplicationEventMulticaster();

                // Initialize other special beans in specific context subclasses.
                onRefresh();

                // Check for listener beans and register them.
                registerListeners();

                // Instantiate all remaining (non-lazy-init) singletons.
                finishBeanFactoryInitialization(beanFactory);

                // Last step: publish corresponding event.
                finishRefresh();
            }

            catch (BeansException ex) {
                if (logger.isWarnEnabled()) {
                    logger.warn("Exception encountered during context initialization - " +
                            "cancelling refresh attempt: " + ex);
                }

                // Destroy already created singletons to avoid dangling resources.
                destroyBeans();

                // Reset 'active' flag.
                cancelRefresh(ex);

                // Propagate exception to caller.
                throw ex;
            }

            finally {
                // Reset common introspection caches in Spring's core, since we
                // might not ever need metadata for singleton beans anymore...
                resetCommonCaches();
            }
        }
    }

通过spring的注释,可以大致猜测,关于tomcat的初始化,应该在方法onRefresh中实现。当然,这里是通过debug源码,看调用栈信息能确切的知道这个方法就是tomcat初始化的入口。这个方法实现在子类里。上面在创建spring的context时,我们看到,这里创建的是一个ServletWebServerApplicationContextonRefresh就在该类中实现。进入该方法,看到如下代码:

    @Override
    protected void onRefresh() {
        super.onRefresh();
        try {
            createWebServer();
        }
        catch (Throwable ex) {
            throw new ApplicationContextException("Unable to start web server", ex);
        }
    }

createWebServer就是创建webserver的代码。代码:

private void createWebServer() {
        WebServer webServer = this.webServer;
        ServletContext servletContext = getServletContext();
        if (webServer == null && servletContext == null) {
            ServletWebServerFactory factory = getWebServerFactory();
            this.webServer = factory.getWebServer(getSelfInitializer());
            getBeanFactory().registerSingleton("webServerGracefulShutdown",
                    new WebServerGracefulShutdownLifecycle(this.webServer));
            getBeanFactory().registerSingleton("webServerStartStop",
                    new WebServerStartStopLifecycle(this, this.webServer));
        }
        else if (servletContext != null) {
            try {
                getSelfInitializer().onStartup(servletContext);
            }
            catch (ServletException ex) {
                throw new ApplicationContextException("Cannot initialize servlet context", ex);
            }
        }
        initPropertySources();
    }

ServletWebServerFactory为自动装配进来,此时在BeanFactory中已经存在了。具体代码配置在spring-boot-autoconfigure包的META-INF/spring.factories中。

# Auto Configure
org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
......
org.springframework.boot.autoconfigure.web.servlet.DispatcherServletAutoConfiguration,\
org.springframework.boot.autoconfigure.web.servlet.ServletWebServerFactoryAutoConfiguration,\

ServletWebServerFactoryAutoConfiguration中import了一些类,其中impot了EmbeddedTomcat。

@Configuration(proxyBeanMethods = false)
    @ConditionalOnClass({ Servlet.class, Tomcat.class, UpgradeProtocol.class })
    @ConditionalOnMissingBean(value = ServletWebServerFactory.class, search = SearchStrategy.CURRENT)
    static class EmbeddedTomcat {

        @Bean
        TomcatServletWebServerFactory tomcatServletWebServerFactory(
                ObjectProvider<TomcatConnectorCustomizer> connectorCustomizers,
                ObjectProvider<TomcatContextCustomizer> contextCustomizers,
                ObjectProvider<TomcatProtocolHandlerCustomizer<?>> protocolHandlerCustomizers) {
            TomcatServletWebServerFactory factory = new TomcatServletWebServerFactory();
            factory.getTomcatConnectorCustomizers()
                    .addAll(connectorCustomizers.orderedStream().collect(Collectors.toList()));
            factory.getTomcatContextCustomizers()
                    .addAll(contextCustomizers.orderedStream().collect(Collectors.toList()));
            factory.getTomcatProtocolHandlerCustomizers()
                    .addAll(protocolHandlerCustomizers.orderedStream().collect(Collectors.toList()));
            return factory;
        }

    }

在这里生成了一个TomcatServletWebServerFactory的bean。
再次回到createWebServer中,this.webServer = factory.getWebServer(getSelfInitializer());从factory中生产出一个webserver。我们看这个webServer是如何生产出来的。

public WebServer getWebServer(ServletContextInitializer... initializers) {
        if (this.disableMBeanRegistry) {
            Registry.disableRegistry();
        }
        Tomcat tomcat = new Tomcat();
        File baseDir = (this.baseDirectory != null) ? this.baseDirectory : createTempDir("tomcat");
        tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath());
        Connector connector = new Connector(this.protocol);
        connector.setThrowOnFailure(true);
        tomcat.getService().addConnector(connector);
        customizeConnector(connector);
        tomcat.setConnector(connector);
        tomcat.getHost().setAutoDeploy(false);
        configureEngine(tomcat.getEngine());
        for (Connector additionalConnector : this.additionalTomcatConnectors) {
            tomcat.getService().addConnector(additionalConnector);
        }
        prepareContext(tomcat.getHost(), initializers);
        return getTomcatWebServer(tomcat);
    }

上面这段代码,就正式进入到了tomcat的领域了。为了能更好的阅读代码,我们需要了解tomcat的体系结构。这里通过代码的阅读和分析,总结了一张结构图。

tomcat结构.png

tomcat的初始化,无非就是将图中的各个部分初始化,塞到对应的位置。有了这张图,代码读起来就比较轻松了,代码也相对简单,可以自己按照图中的结构,进行走读。这里不再记录。
getWebServer代码走完,tomcat就初始化完成了,那么是不是就可以接收请求了呢。当然不行。socket还没起来,tomcat的工作线程还没起来。这部分功能不在上面的onRefresh中,而在接下来的finishRefresh中,只有所有的准备工作都已经完成了,请求才能接进来。这部分功能将在下一篇日记中走读。
至此,springboot的内嵌tomcat初始化完成。这里只记录了主流程的初始化,其中一些配置类信息如ServerProperties等的初始化并没有在这篇日记中体现。

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