Tomcat源码分析——生命周期管理

前言

　　从server.xml文件解析出来的各个对象都是容器，比如：Server、Service、Connector等。这些容器都具有新建、初始化完成、启动、停止、失败、销毁等状态。tomcat的实现提供了对这些容器的生命周期管理，本文将通过对Tomcat7.0的源码阅读，深入剖析这一过程。

Tomcat生命周期类接口设计

　　我们先阅读图1，从中了解Tomcat涉及生命周期管理的主要类。

图1　　Tomcat生命周期类接口设计

这里对图1中涉及的主要类作个简单介绍：

• Lifecycle：定义了容器生命周期、容器状态转换及容器状态迁移事件的监听器注册和移除等主要接口；
• LifecycleBase：作为Lifecycle接口的抽象实现类，运用抽象模板模式将所有容器的生命周期及状态转换衔接起来，此外还提供了生成LifecycleEvent事件的接口；
• LifecycleSupport：提供有关LifecycleEvent事件的监听器注册、移除，并且使用经典的监听器模式，实现事件生成后触打监听器的实现；
• MBeanRegistration：Java jmx框架提供的注册MBean的接口，引入此接口是为了便于使用JMX提供的管理功能；
• LifecycleMBeanBase：Tomcat提供的对MBeanRegistration的抽象实现类，运用抽象模板模式将所有容器统一注册到JMX；

此外，ContainerBase、StandardServer、StandardService、WebappLoader、Connector、StandardContext、StandardEngine、StandardHost、StandardWrapper等容器都继承了LifecycleMBeanBase，因此这些容器都具有了同样的生命周期并可以通过JMX进行管理。

什么是JMX？

　　java管理程序扩展（java management extensions，简称JMX），是一个可以为Java应用程序或系统植入远程管理功能的框架。为便于讲解，我从网络上找了一张JMX的架构，如图2所示。

图2　　JMX架构

这里对图2中三个分层进行介绍：

• Probe Level：负责资源的检测（获取信息），包含MBeans，通常也叫做Instrumentation Level。MX管理构件（MBean）分为四种形式，分别是标准管理构件（Standard MBean）、动态管理构件（Dynamic MBean）、开放管理构件(Open Mbean)和模型管理构件(Model MBean)。
• Agent Level：即MBeanServer，是JMX的核心，负责连接Mbeans和应用程序。 
• Remote Management Level：通过connectors和adaptors来远程操作MBeanServer，常用的控制台，例如JConsole、VisualVM等。

 容器

 Tomcat容器组成

　　StandardServer、StandardService、Connector、StandardContext这些容器，彼此之间都有父子关系，每个容器都可能包含零个或者多个子容器，这些子容器可能存在不同类型或者相同类型的多个，如图3所示。

图3　　Tomcat容器组成

 Tomcat容器状态

　　目前，Tomcat的容器具有以下状态：

• NEW：容器刚刚创建时，即在LifecycleBase实例构造完成时的状态。
• INITIALIZED：容器初始化完成时的状态。
• STARTING_PREP：容器启动前的状态。
• STARTING：容器启动过程中的状态。
• STARTED：容器启动完成的状态。
• STOPPING_PREP：容器停止前的状态。
• STOPPING：容器停止过程中的状态。
• STOPPED：容器停止完成的状态。
• DESTROYED：容器销毁后的状态。
• FAILED：容器启动、停止过程中出现异常的状态。
• MUST_STOP：此状态未使用。
• MUST_DESTROY：此状态未使用。

这些状态都定义在枚举类LifecycleState中。

事件与监听

　　每个容器由于继承自LifecycleBase，当容器状态发生变化时，都会调用fireLifecycleEvent方法，生成LifecycleEvent，并且交由此容器的事件监听器处理。LifecycleBase的fireLifecycleEvent方法的实现见代码清单1。

代码清单1

    /**
     * Allow sub classes to fire {@link Lifecycle} events.
     * 
     * @param type  Event type
     * @param data  Data associated with event.
     */
    protected void fireLifecycleEvent(String type, Object data) {
        lifecycle.fireLifecycleEvent(type, data);
    }

lifecycle的定义如下：

    /**
     * Used to handle firing lifecycle events.
     * TODO: Consider merging LifecycleSupport into this class.
     */
    private LifecycleSupport lifecycle = new LifecycleSupport(this);

LifecycleSupport的fireLifecycleEvent方法的实现，见代码清单2。

代码清单2

    /**
     * Notify all lifecycle event listeners that a particular event has
     * occurred for this Container.  The default implementation performs
     * this notification synchronously using the calling thread. gja
     *
     * @param type Event type
     * @param data Event data
     */
    public void fireLifecycleEvent(String type, Object data) {

        LifecycleEvent event = new LifecycleEvent(lifecycle, type, data);
        LifecycleListener interested[] = listeners;
        for (int i = 0; i < interested.length; i++)
            interested[i].lifecycleEvent(event);

    }

代码清单2将事件通知给所有监听当前容器的生命周期监听器LifecycleListener，并调用LifecycleListener的lifecycleEvent方法。每个容器都维护这一个监听器缓存，其实现如下：

    /**
     * The set of registered LifecycleListeners for event notifications.
     */
    private LifecycleListener listeners[] = new LifecycleListener[0];

那么listeners中的监听器是何时添加进来的呢？每个容器在新建、初始化、启动，销毁，被添加到父容器的过程中都会调用父类LifecycleBase的addLifecycleListener方法，addLifecycleListener的实现见代码清单3。

 代码清单3

    @Override
    public void addLifecycleListener(LifecycleListener listener) {
        lifecycle.addLifecycleListener(listener);
    }

从代码清单3看到，LifecycleBase的addLifecycleListener方法实际是对LifecycleSupport的addLifecycleListener方法的简单代理，LifecycleSupport的addLifecycleListener方法的实现，见代码清单4。

 代码清单4

    /**
     * Add a lifecycle event listener to this component.
     *
     * @param listener The listener to add
     */
    public void addLifecycleListener(LifecycleListener listener) {

      synchronized (listenersLock) {
          LifecycleListener results[] =
            new LifecycleListener[listeners.length + 1];
          for (int i = 0; i < listeners.length; i++)
              results[i] = listeners[i];
          results[listeners.length] = listener;
          listeners = results;
      }

    }

在代码清单2中，我们讲过容器会最终调用每个对此容器感兴趣的LifecycleListener的lifecycleEvent方法，那么LifecycleListener的lifecycleEvent方法会做些什么呢？为了简单起见，我们以监听器AprLifecycleListener为例，AprLifecycleListener的lifecycleEvent方法的实现，见代码清单5。

代码清单5

    /**
     * Primary entry point for startup and shutdown events.
     *
     * @param event The event that has occurred
     */
    public void lifecycleEvent(LifecycleEvent event) {

        if (Lifecycle.INIT_EVENT.equals(event.getType())) {
            synchronized (lock) {
                init();
                if (aprAvailable) {
                    try {
                        initializeSSL();
                    } catch (Throwable t) {
                        log.info(sm.getString("aprListener.sslInit"));
                    }
                }
            }
        } else if (Lifecycle.AFTER_STOP_EVENT.equals(event.getType())) {
            synchronized (lock) {
                if (!aprAvailable) {
                    return;
                }
                try {
                    terminateAPR();
                } catch (Throwable t) {
                    log.info(sm.getString("aprListener.aprDestroy"));
                }
            }
        }

    }

 容器生命周期

　　每个容器都会有自身的生命周期，其中也涉及状态的迁移，以及伴随的事件生成，本节详细介绍Tomcat中的容器生命周期实现。所有容器的转态转换（如新疆、初始化、启动、停止等）都是由外到内，由上到下进行，即先执行父容器的状态转换及相关操作，然后再执行子容器的转态转换，这个过程是层层迭代执行的。

容器新建

　　所有容器在构造的过程中，都会首先对父类LifecycleBase进行构造。LifecycleBase中定义了所有容器的起始状态为LifecycleState.NEW，代码如下：

    /**
     * The current state of the source component.
     */
    private volatile LifecycleState state = LifecycleState.NEW;

容器初始化

　　每个容器的init方法是自身初始化的入口，其初始化过程如图4所示。

图4　　容器初始化时序图

　　图4中所说的具体容器，实际就是LifecycleBase的具体实现类，目前LifecycleBase的类继承体系如图5所示。

图5　　LifecycleBase的类继承体系

　　根据图4所示的初始化过程，我们对Tomcat的源码进行分析，其处理步骤如下：

1. 调用方调用容器父类LifecycleBase的init方法，LifecycleBase的init方法主要完成一些所有容器公共抽象出来的动作；
2. LifecycleBase的init方法调用具体容器的initInternal方法实现，此initInternal方法用于对容器本身真正的初始化；
3. 具体容器的initInternal方法调用父类LifecycleMBeanBase的initInternal方法实现，此initInternal方法用于将容器托管到JMX，便于运维管理；
4. LifecycleMBeanBase的initInternal方法调用自身的register方法，将容器作为MBean注册到MBeanServer；
5. 容器如果有子容器，会调用子容器的init方法；
6. 容器初始化完毕，LifecycleBase会将容器的状态更改为初始化完毕，即LifecycleState.INITIALIZED。

　　现在对容器初始化的源码进行分析，init方法的实现见代码清单6。

代码清单6

    public synchronized final void init() throws LifecycleException {
        if (!state.equals(LifecycleState.NEW)) {
            invalidTransition(Lifecycle.INIT_EVENT);
        }

        initInternal();
        
        setState(LifecycleState.INITIALIZED);
    }

代码清单6说明，只有当前容器的状态处于LifecycleState.NEW的才可以被初始化，真正执行初始化的方法是initInternal，当初始化完毕，当前容器的状态会被更改为LifecycleState.INITIALIZED。为了简便起见，我们还是以StandardServer这个容器为例，StandardServer的initInternal方法的实现见代码清单7。

代码清单7

    @Override
    protected void initInternal() throws LifecycleException {
        
        super.initInternal();

        // Register global String cache geng
        // Note although the cache is global, if there are multiple Servers
        // present in the JVM (may happen when embedding) then the same cache 
        // will be registered under multiple names
        onameStringCache = register(new StringCache(), "type=StringCache");

        // Register the MBeanFactory
        onameMBeanFactory = register(new MBeanFactory(), "type=MBeanFactory");
        
        // Register the naming resources
        onameNamingResoucres = register(globalNamingResources,
                "type=NamingResources");
        
        // Initialize our defined Services
        for (int i = 0; i < services.length; i++) {
            services[i].init();
        }
    }

通过分析StandardServer的initInternal方法，其处理过程如下：

步骤一 将当前容器注册到JMX

　　调用父类LifecycleBase的initInternal方法（见代码清单8），为当前容器创建DynamicMBean，并注册到JMX中。

 代码清单8

    @Override
    protected void initInternal() throws LifecycleException {
        
        // If oname is not null then registration has already happened via jiaan
        // preRegister().
        if (oname == null) {
            mserver = Registry.getRegistry(null, null).getMBeanServer();
            
            oname = register(this, getObjectNameKeyProperties());
        }
    }

StandardServer实现的getObjectNameKeyProperties方法如下：

    @Override
    protected final String getObjectNameKeyProperties() {
        return "type=Server";
    }

LifecycleBase的register方法（见代码清单9）会为当前容器创建对应的注册名称，以StandardServer为例，getDomain默认返回Catalina，因此StandardServer的JMX注册名称默认为Catalina:type=Server，真正的注册在registerComponent方法中实现。

代码清单9

    protected final ObjectName register(Object obj,
            String objectNameKeyProperties) {
        
        // Construct an object name with the right domain
        StringBuilder name = new StringBuilder(getDomain());
        name.append(':');
        name.append(objectNameKeyProperties);

        ObjectName on = null;

        try {
            on = new ObjectName(name.toString());
            
            Registry.getRegistry(null, null).registerComponent(obj, on, null);
        } catch (MalformedObjectNameException e) {
            log.warn(sm.getString("lifecycleMBeanBase.registerFail", obj, name),
                    e);
        } catch (Exception e) {
            log.warn(sm.getString("lifecycleMBeanBase.registerFail", obj, name),
                    e);
        }

        return on;
    }

Registry的registerComponent方法会为当前容器（如StandardServer）创建DynamicMBean，并且注册到MBeanServer，见代码清单10。

代码清单10

    /** Register a component 
     * XXX make it private 
     * 
     * @param bean
     * @param oname
     * @param type
     * @throws Exception
     */ 
    public void registerComponent(Object bean, ObjectName oname, String type)
           throws Exception
    {
        if( log.isDebugEnabled() ) {
            log.debug( "Managed= "+ oname);
        }

        if( bean ==null ) {
            log.error("Null component " + oname );
            return;
        }

        try {
            if( type==null ) {
                type=bean.getClass().getName();
            }

            ManagedBean managed = findManagedBean(bean.getClass(), type);

            // The real mbean is created and registered
            DynamicMBean mbean = managed.createMBean(bean);

            if(  getMBeanServer().isRegistered( oname )) {
                if( log.isDebugEnabled()) {
                    log.debug("Unregistering existing component " + oname );
                }
                getMBeanServer().unregisterMBean( oname );
            }

            getMBeanServer().registerMBean( mbean, oname);
        } catch( Exception ex) {
            log.error("Error registering " + oname, ex );
            throw ex;
        }
    }

步骤二 将StringCache、MBeanFactory、globalNamingResources注册到JMX

　　从代码清单7中已经列出。其中StringCache的注册名为Catalina:type=StringCache，MBeanFactory的注册名为Catalina:type=MBeanFactory，globalNamingResources的注册名为Catalina:type=NamingResources。

步骤三 初始化子容器

　　从代码清单7中看到StandardServer主要对Service子容器进行初始化，默认是StandardService。

注意：个别容器并不完全遵循以上的初始化过程，比如ProtocolHandler作为Connector的子容器，其初始化过程并不是由Connector的initInternal方法调用的，而是与启动过程一道被Connector的startInternal方法所调用。

容器启动

　　每个容器的start方法是自身启动的入口，其启动过程如图6所示。

图6　　容器启动时序图

　　根据图6所示的启动过程，我们对Tomcat的源码进行分析，其处理步骤如下：

1. 调用方调用容器父类LifecycleBase的start方法，LifecycleBase的start方法主要完成一些所有容器公共抽象出来的动作；
2. LifecycleBase的start方法先将容器状态改为LifecycleState.STARTING_PREP，然后调用具体容器的startInternal方法实现，此startInternal方法用于对容器本身真正的初始化；
3. 具体容器的startInternal方法会将容器状态改为LifecycleState.STARTING，容器如果有子容器，会调用子容器的start方法启动子容器；
4. 容器启动完毕，LifecycleBase会将容器的状态更改为启动完毕，即LifecycleState.STARTED。

　　现在对容器启动的源码进行分析，start方法的实现见代码清单11。

代码清单11

    @Override
    public synchronized final void start() throws LifecycleException {
        
        if (LifecycleState.STARTING_PREP.equals(state) ||
                LifecycleState.STARTING.equals(state) ||
                LifecycleState.STARTED.equals(state)) {
            
            if (log.isDebugEnabled()) {
                Exception e = new LifecycleException();
                log.debug(sm.getString("lifecycleBase.alreadyStarted",
                        toString()), e);
            } else if (log.isInfoEnabled()) {
                log.info(sm.getString("lifecycleBase.alreadyStarted",
                        toString()));
            }
            
            return;
        }
        
        if (state.equals(LifecycleState.NEW)) {
            init();
        } else if (!state.equals(LifecycleState.INITIALIZED) &&
                !state.equals(LifecycleState.STOPPED)) {
            invalidTransition(Lifecycle.BEFORE_START_EVENT);
        }

        setState(LifecycleState.STARTING_PREP);

        try {
            startInternal();
        } catch (LifecycleException e) {
            setState(LifecycleState.FAILED);
            throw e;
        }

        if (state.equals(LifecycleState.FAILED) ||
                state.equals(LifecycleState.MUST_STOP)) {
            stop();
        } else {
            // Shouldn't be necessary but acts as a check that sub-classes are
            // doing what they are supposed to.
            if (!state.equals(LifecycleState.STARTING)) {
                invalidTransition(Lifecycle.AFTER_START_EVENT);
            }
            
            setState(LifecycleState.STARTED);
        }
    }

代码清单11说明在真正启动容器之前需要做2种检查：

1. 如果当前容器已经处于启动过程（即容器状态为LifecycleState.STARTING_PREP、LifecycleState.STARTING、LifecycleState.STARTED）中，则会产生并且用日志记录LifecycleException异常并退出。
2. 如果容器依然处于LifecycleState.NEW状态，则在启动之前，首先确保初始化完毕。

代码清单11还说明启动容器完毕后，需要做1种检查，即如果容器启动异常导致容器进入LifecycleState.FAILED或者LifecycleState.MUST_STOP状态，则需要调用stop方法停止容器。

　　现在我们重点分析startInternal方法，还是以StandardServer为例，其startInternal的实现见代码清单12所示。

代码清单12

    @Override
    protected void startInternal() throws LifecycleException {

        fireLifecycleEvent(CONFIGURE_START_EVENT, null);
        setState(LifecycleState.STARTING);

        // Start our defined Services
        synchronized (services) {
            for (int i = 0; i < services.length; i++) {
                services[i].start();
            }
        }
    }

　　从代码清单12看到StandardServer的启动由以下步骤组成：

1. 产生CONFIGURE_START_EVENT事件；
2. 将自身状态更改为LifecycleState.STARTING；
3. 调用子容器Service（默认为StandardService）的start方法启动子容器。

除了初始化、启动外，各个容器还有停止和销毁的生命周期，其原理与初始化、启动类似，本文不再赘述，有兴趣的读者可以自行研究。

　　Tomcat启动完毕后，打开Java visualVM，打开Tomcat进程监控，给visualVM安装MBeans插件后，选择MBeans标签页可以对Tomcat所有注册到JMX中的对象进行管理，比如StandardService就向JMX暴露了start和stop等方法，这样管理员就可以动态管理Tomcat，如图7所示。

图7　　使用JMX动态管理Tomcat

总结

　　Tomcat通过将内部所有组件都抽象为容器，为容器提供统一的生命周期管理，各个子容器只需要关心各自的具体实现，这便于Tomcat以后扩展更多的容器，对于研究或者学习Tomcat的人来说，其设计清晰易懂。

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