作者：木木匠

http://my.oschina.net/luozhou/blog/3088908

前言

我們知道 SpringBoot 給我們帶來了一個全新的開發體驗，我們可以直接把 web 程序達成 jar 包，直接啟動，這就得益于 SpringBoot 內置了容器，可以直接啟動，本文將以 Tomcat 為例，來看看 SpringBoot 是如何啟動 Tomcat 的，同時也將展開學習下 Tomcat 的源碼，了解 Tomcat 的設計。

從 Main 方法說起

用過 SpringBoot 的人都知道，首先要寫一個 main 方法來啟動

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

我們直接點擊 run 方法的源碼，跟蹤下來，發下最終的 run 方法是調用 ConfigurableApplicationContext 方法，源碼如下：

public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {StopWatch stopWatch = new StopWatch();stopWatch.start();ConfigurableApplicationContext context = null;Collection<springbootexceptionreporter> exceptionReporters = new ArrayList&lt;&gt;();//設置系統屬性『java.awt.headless』，為true則啟用headless模式支持configureHeadlessProperty();//通過*SpringFactoriesLoader*檢索*META-INF/spring.factories*，//找到聲明的所有SpringApplicationRunListener的實現類并將其實例化，//之后逐個調用其started()方法，廣播SpringBoot要開始執行了SpringApplicationRunListeners listeners = getRunListeners(args);//發布應用開始啟動事件listeners.starting();try {//初始化參數ApplicationArguments applicationArguments = new DefaultApplicationArguments(args);//創建并配置當前SpringBoot應用將要使用的Environment（包括配置要使用的PropertySource以及Profile）,//并遍歷調用所有的SpringApplicationRunListener的environmentPrepared()方法，廣播Environment準備完畢。ConfigurableEnvironment environment = prepareEnvironment(listeners, applicationArguments);configureIgnoreBeanInfo(environment);//打印bannerBanner printedBanner = printBanner(environment);//創建應用上下文context = createApplicationContext();//通過*SpringFactoriesLoader*檢索*META-INF/spring.factories*，獲取并實例化異常分析器exceptionReporters = getSpringFactoriesInstances(SpringBootExceptionReporter.class,new Class[] { ConfigurableApplicationContext.class }, context);//為ApplicationContext加載environment，之后逐個執行ApplicationContextInitializer的initialize()方法來進一步封裝ApplicationContext，//并調用所有的SpringApplicationRunListener的contextPrepared()方法，【EventPublishingRunListener只提供了一個空的contextPrepared()方法】，//之后初始化IoC容器，并調用SpringApplicationRunListener的contextLoaded()方法，廣播ApplicationContext的IoC加載完成，//這里就包括通過**@EnableAutoConfiguration**導入的各種自動配置類。prepareContext(context, environment, listeners, applicationArguments, printedBanner);//刷新上下文refreshContext(context);//再一次刷新上下文,其實是空方法，可能是為了后續擴展。afterRefresh(context, applicationArguments);stopWatch.stop();if (this.logStartupInfo) {new StartupInfoLogger(this.mainApplicationClass).logStarted(getApplicationLog(), stopWatch);}//發布應用已經啟動的事件listeners.started(context);//遍歷所有注冊的ApplicationRunner和CommandLineRunner，并執行其run()方法。//我們可以實現自己的ApplicationRunner或者CommandLineRunner，來對SpringBoot的啟動過程進行擴展。callRunners(context, applicationArguments);}catch (Throwable ex) {handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, listeners);throw new IllegalStateException(ex);}try {//應用已經啟動完成的監聽事件listeners.running(context);}catch (Throwable ex) {handleRunFailure(context, ex, exceptionReporters, null);throw new IllegalStateException(ex);}return context;}

其實這個方法我們可以簡單的總結下步驟為 > 1. 配置屬性 > 2. 獲取監聽器，發布應用開始啟動事件 > 3. 初始化輸入參數 > 4. 配置環境，輸出 banner > 5. 創建上下文 > 6. 預處理上下文 > 7. 刷新上下文 > 8. 再刷新上下文 > 9. 發布應用已經啟動事件 > 10. 發布應用啟動完成事件

其實上面這段代碼，如果只要分析 tomcat 內容的話，只需要關注兩個內容即可，上下文是如何創建的，上下文是如何刷新的，分別對應的方法就是 createApplicationContext() 和 refreshContext(context)，接下來我們來看看這兩個方法做了什么。

protected ConfigurableApplicationContext createApplicationContext() {Class<!--?--> contextClass = this.applicationContextClass;if (contextClass == null) {try {switch (this.webApplicationType) {case SERVLET:contextClass = Class.forName(DEFAULT_SERVLET_WEB_CONTEXT_CLASS);break;case REACTIVE:contextClass = Class.forName(DEFAULT_REACTIVE_WEB_CONTEXT_CLASS);break;default:contextClass = Class.forName(DEFAULT_CONTEXT_CLASS);}}catch (ClassNotFoundException ex) {throw new IllegalStateException("Unable create a default ApplicationContext, " + "please specify an ApplicationContextClass",ex);}}return (ConfigurableApplicationContext) BeanUtils.instantiateClass(contextClass);}

這里就是根據我們的 webApplicationType 來判斷創建哪種類型的 Servlet,代碼中分別對應著 Web 類型(SERVLET),響應式 Web 類型（REACTIVE),非 Web 類型（default),我們建立的是 Web 類型，所以肯定實例化 DEFAULT_SERVLET_WEB_CONTEXT_CLASS 指定的類，也就是 AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext 類，我們來用圖來說明下這個類的關系

通過這個類圖我們可以知道，這個類繼承的是 ServletWebServerApplicationContext,這就是我們真正的主角，而這個類最終是繼承了 AbstractApplicationContext，了解完創建上下文的情況后，我們再來看看刷新上下文，相關代碼如下：

//類：SpringApplication.javaprivate void refreshContext(ConfigurableApplicationContext context) {//直接調用刷新方法refresh(context);if (this.registerShutdownHook) {try {context.registerShutdownHook();}catch (AccessControlException ex) {// Not allowed in some environments.}}} //類：SpringApplication.javaprotected void refresh(ApplicationContext applicationContext) {Assert.isInstanceOf(AbstractApplicationContext.class, applicationContext);((AbstractApplicationContext) applicationContext).refresh();}

這里還是直接傳遞調用本類的 refresh(context)方法，最后是強轉成父類 AbstractApplicationContext 調用其 refresh()方法,該代碼如下：

// 類：AbstractApplicationContext 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.這里的意思就是調用各個子類的onRefresh()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();}}}

這里我們看到 onRefresh()方法是調用其子類的實現，根據我們上文的分析，我們這里的子類是 ServletWebServerApplicationContext。

//類：ServletWebServerApplicationContext protected void onRefresh() {super.onRefresh();try {createWebServer();}catch (Throwable ex) {throw new ApplicationContextException("Unable to start web server", ex);}}private void createWebServer() {WebServer webServer = this.webServer;ServletContext servletContext = getServletContext();if (webServer == null &amp;&amp; servletContext == null) {ServletWebServerFactory factory = getWebServerFactory();this.webServer = factory.getWebServer(getSelfInitializer());}else if (servletContext != null) {try {getSelfInitializer().onStartup(servletContext);}catch (ServletException ex) {throw new ApplicationContextException("Cannot initialize servlet context", ex);}}initPropertySources();}

到這里，其實廬山真面目已經出來了，createWebServer()就是啟動 web 服務，但是還沒有真正啟動 Tomcat，既然 webServer 是通過 ServletWebServerFactory 來獲取的，我們就來看看這個工廠的真面目。

走進 Tomcat 內部

根據上圖我們發現，工廠類是一個接口，各個具體服務的實現是由各個子類來實現的，所以我們就去看看 TomcatServletWebServerFactory.getWebServer()的實現。

@Overridepublic WebServer getWebServer(ServletContextInitializer... initializers) {Tomcat tomcat = new Tomcat();File baseDir = (this.baseDirectory != null) ? this.baseDirectory : createTempDir("tomcat");tomcat.setBaseDir(baseDir.getAbsolutePath());Connector connector = new Connector(this.protocol);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);}

根據上面的代碼，我們發現其主要做了兩件事情，第一件事就是把 Connnctor(我們稱之為連接器)對象添加到 Tomcat 中，第二件事就是 configureEngine,這連接器我們勉強能理解（不理解后面會述說），那這個 Engine 是什么呢？我們查看 tomcat.getEngine()的源碼：

public Engine getEngine() {Service service = getServer().findServices()[0];if (service.getContainer() != null) {return service.getContainer();}Engine engine = new StandardEngine();engine.setName( "Tomcat" );engine.setDefaultHost(hostname);engine.setRealm(createDefaultRealm());service.setContainer(engine);return engine;}

根據上面的源碼，我們發現，原來這個 Engine 是容器，我們繼續跟蹤源碼，找到 Container 接口

上圖中，我們看到了 4 個子接口，分別是 Engine,Host,Context,Wrapper。我們從繼承關系上可以知道他們都是容器，那么他們到底有啥區別呢？我看看他們的注釋是怎么說的。

/**If used, an Engine is always the top level Container in a Catalina* hierarchy. Therefore, the implementation's <code>setParent()</code> method* should throw <code>IllegalArgumentException</code>.** @author Craig R. McClanahan*/ public interface Engine extends Container {//省略代碼 } /*** <p>* The parent Container attached to a Host is generally an Engine, but may* be some other implementation, or may be omitted if it is not necessary.* </p><p>* The child containers attached to a Host are generally implementations* of Context (representing an individual servlet context).** @author Craig R. McClanahan*/ public interface Host extends Container { //省略代碼} /*** </p><p>* The parent Container attached to a Context is generally a Host, but may* be some other implementation, or may be omitted if it is not necessary.* </p><p>* The child containers attached to a Context are generally implementations* of Wrapper (representing individual servlet definitions).* </p><p>** @author Craig R. McClanahan*/ public interface Context extends Container, ContextBind {//省略代碼 } /**</p><p>* The parent Container attached to a Wrapper will generally be an* implementation of Context, representing the servlet context (and* therefore the web application) within which this servlet executes.* </p><p>* Child Containers are not allowed on Wrapper implementations, so the* <code>addChild()</code> method should throw an* <code>IllegalArgumentException</code>.** @author Craig R. McClanahan*/ public interface Wrapper extends Container {//省略代碼 }

上面的注釋翻譯過來就是，Engine 是最高級別的容器，其子容器是 Host,Host 的子容器是 Context,Wrapper 是 Context 的子容器，所以這 4 個容器的關系就是父子關系，也就是 Engine>Host>Context>Wrapper。我們再看看 Tomcat 類的源碼:

//部分源碼，其余部分省略。 public class Tomcat { //設置連接器public void setConnector(Connector connector) {Service service = getService();boolean found = false;for (Connector serviceConnector : service.findConnectors()) {if (connector == serviceConnector) {found = true;}}if (!found) {service.addConnector(connector);}}//獲取servicepublic Service getService() {return getServer().findServices()[0];}//設置Host容器public void setHost(Host host) {Engine engine = getEngine();boolean found = false;for (Container engineHost : engine.findChildren()) {if (engineHost == host) {found = true;}}if (!found) {engine.addChild(host);}}//獲取Engine容器public Engine getEngine() {Service service = getServer().findServices()[0];if (service.getContainer() != null) {return service.getContainer();}Engine engine = new StandardEngine();engine.setName( "Tomcat" );engine.setDefaultHost(hostname);engine.setRealm(createDefaultRealm());service.setContainer(engine);return engine;}//獲取serverpublic Server getServer() {if (server != null) {return server;}System.setProperty("catalina.useNaming", "false");server = new StandardServer();initBaseDir();// Set configuration sourceConfigFileLoader.setSource(new CatalinaBaseConfigurationSource(new File(basedir), null));server.setPort( -1 );Service service = new StandardService();service.setName("Tomcat");server.addService(service);return server;}//添加Context容器public Context addContext(Host host, String contextPath, String contextName,String dir) {silence(host, contextName);Context ctx = createContext(host, contextPath);ctx.setName(contextName);ctx.setPath(contextPath);ctx.setDocBase(dir);ctx.addLifecycleListener(new FixContextListener());if (host == null) {getHost().addChild(ctx);} else {host.addChild(ctx);}//添加Wrapper容器public static Wrapper addServlet(Context ctx,String servletName,Servlet servlet) {// will do class for name and set init paramsWrapper sw = new ExistingStandardWrapper(servlet);sw.setName(servletName);ctx.addChild(sw);return sw;}}

閱讀 Tomcat 的 getServer()我們可以知道，Tomcat 的最頂層是 Server,Server 就是 Tomcat 的實例，一個 Tomcat 一個 Server;通過 getEngine()我們可以了解到 Server 下面是 Service，而且是多個，一個 Service 代表我們部署的一個應用，而且我們還可以知道，Engine 容器，一個 service 只有一個；

根據父子關系，我們看 setHost()源碼可以知道，host 容器有多個；同理，我們發現 addContext()源碼下，Context 也是多個；addServlet()表明 Wrapper 容器也是多個，而且這段代碼也暗示了，其實 Wrapper 和 Servlet 是一層意思。另外我們根據 setConnector 源碼可以知道，連接器(Connector)是設置在 service 下的，而且是可以設置多個連接器(Connector)。

根據上面分析，我們可以小結下：Tomcat 主要包含了 2 個核心組件，連接器(Connector)和容器(Container),用圖表示如下：

一個 Tomcat 是一個 Server,一個 Server 下有多個 service，也就是我們部署的多個應用，一個應用下有多個連接器(Connector)和一個容器（Container）,容器下有多個子容器，關系用圖表示如下：

Engine 下有多個 Host 子容器，Host 下有多個 Context 子容器，Context 下有多個 Wrapper 子容器。

總結

SpringBoot 的啟動是通過 new SpringApplication()實例來啟動的，啟動過程主要做如下幾件事情：> 1. 配置屬性 > 2. 獲取監聽器，發布應用開始啟動事件 > 3. 初始化輸入參數 > 4. 配置環境，輸出 banner > 5. 創建上下文 > 6. 預處理上下文 > 7. 刷新上下文 > 8. 再刷新上下文 > 9. 發布應用已經啟動事件 > 10. 發布應用啟動完成事件

而啟動 Tomcat 就是在第 7 步中“刷新上下文”；Tomcat 的啟動主要是初始化 2 個核心組件，連接器(Connector)和容器（Container），一個 Tomcat 實例就是一個 Server，一個 Server 包含多個 Service，也就是多個應用程序，每個 Service 包含多個連接器（Connetor）和一個容器（Container),而容器下又有多個子容器，按照父子關系分別為：Engine,Host,Context,Wrapper，其中除了 Engine 外，其余的容器都是可以有多個。

總結

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