惊呆了！手写4个mini版的tomcat！

写在前面

Apache Tomcat  是Java Servlet， JavaServer Pages （JSP），Java表达式语言和Java的WebSocket技术的一个开源实现 ,通常我们将Tomcat称为Web容器或者Servlet容器 。

今天，我们就来手写tomcat，但是说明一下：咱们不是为了装逼才来写tomcat，而是希望大家能更多的理解和掌握tomcat。

废话不多说了，直接开干。

基本结构

tomcat架构图

我们可以把上面这张架构图做简化，简化后为：

什么是http协议

Http是一种网络应用层协议，规定了浏览器与web服务器之间如何通信以及数据包的结构。

通信大致可以分为四步：

  1. 先建立连接。
  2. 发送请求数据包。
  3. 发送响应数据包。
  4. 关闭连接。

优点

web服务器可以利用有限的连接为尽可能多的客户请求服务。

tomcat中Servlet的运作方式
  1. 在浏览器地址栏输入http://ip:port/servlet-day01/hello
  2. 浏览器依据IP、port建立连接(即与web服务器之间建立网络连接)。
  3. 浏览器需要将相关数据打包（即按照http协议要求，制作一个 请求数据包，包含了一些数据，比如请求资源路径）,并且将请求 数据包发送出去。
  4. web服务器会将请求数据包中数据解析出来，并且将这些数据添加    到request对象，同时，还会创建一个response对象。
  5. web服务器创建Servlet对象，然后调用该对象的service方法（会将request和response作为参数）。注：在service方法里面，通过使用request获得请求相关的数据， 比如请求参数值，然后将处理结果写到response。
  6. web服务器将response中的数据取出来，制作响应数据包，然后发送给浏览器。
  7. 浏览器解析响应数据包，然后展现。

可以总结唯一张图：

什么是Servlet呢？

Servlet是JavaEE规范的一种，主要是为了扩展Java作为Web服务的功能，统一接口。由其他内部厂商如tomcat，jetty内部实现web的功能。如一个http请求到来：容器将请求封装为servlet中的HttpServletRequest对象，调用init()，service()等方法输出response,由容器包装为httpresponse返回给客户端的过程。

什么是Servlet规范？

  • 从 Jar 包上来说，Servlet 规范就是两个 Jar 文件。servlet-api.jar 和 jsp-api.jar，Jsp 也是一种 Servlet。
  • 从package上来说，就是 javax.servlet 和 javax.servlet.http 两个包。
  • 从接口来说，就是规范了 Servlet 接口、Filter 接口、Listener 接口、ServletRequest 接口、ServletResponse 接口等。类图如下：

第一版：Socket版

使用Socket编程，实现简单的客户端和服务端的聊天。

服务端代码如下：

package com.tian.v1;

import java.io.*;
import java.net.*;

public class Server {

public static String readline = null;
    public static String inTemp = null;
    public static String turnLine = "\n";
    public static final String client = "客户端:";
    public static final String server = "服务端:";
    public static final int PORT = 8090;

public static void main(String[] args) throws Exception {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);
        System.out.println("服务端已经准备好了");
        Socket socket = serverSocket.accept();

BufferedReader systemIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        BufferedReader socketIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        PrintWriter socketOut = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
        while (true) {
            inTemp = socketIn.readLine();
            if (inTemp != null &&inTemp.contains("over")) {
                systemIn.close();
                socketIn.close();
                socketOut.close();
                socket.close();
                serverSocket.close();
            }
            System.out.println(client + inTemp);
            System.out.print(server);

readline = systemIn.readLine();

socketOut.println(readline);
            socketOut.flush();
        }
    }
}

客户端代码如下：

package com.tian.v1;

import java.io.*;
import java.net.*;

public class Client {

public static void main(String[] args) throws Exception {
        String readline;
        String inTemp;
        final String client = "客户端说:";
        final String server = "服务端回复:";

int port = 8090;
        byte[] ipAddressTemp = {127, 0, 0, 1};
        InetAddress ipAddress = InetAddress.getByAddress(ipAddressTemp);

//首先直接创建socket,端口号1~1023为系统保存，一般设在1023之外
        Socket socket = new Socket(ipAddress, port);

BufferedReader systemIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        BufferedReader socketIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        PrintWriter socketOut = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
        while (true) {
            System.out.print(client);
            readline = systemIn.readLine();

socketOut.println(readline);
            socketOut.flush();
            //处理
            inTemp = socketIn.readLine();
            if (inTemp != null && inTemp.contains("over")) {
                systemIn.close();
                socketIn.close();
                socketOut.close();
                socket.close();
            }
            System.out.println(server + inTemp);
        }
    }
}

过程如下：

第二版：我们直接请求http://localhost:8090

实现代码如下：

package com.tian.v2;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class MyTomcat {
    /**
     * 设定启动和监听端口
     */
    private int port = 8090;

/**
     * 启动函数
     *
     * @throws IOException
     */
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("my tomcat starting...");
        String responseData = "6666666";
        ServerSocket socket = new ServerSocket(port);
        while (true) {
            Socket accept = socket.accept();
            OutputStream outputStream = accept.getOutputStream();
            String responseText = HttpProtocolUtil.getHttpHeader200(responseData.length()) + responseData;
            outputStream.write(responseText.getBytes());
            accept.close();
        }
    }

/**
     * 启动入口
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MyTomcat tomcat = new MyTomcat();
        tomcat.start();
    }
}

再写一个工具类，内容如下；

ackage com.tian.v2;

public class HttpProtocolUtil {

/**
     * 200 状态码，头信息
     *
     * @param contentLength 响应信息长度
     * @return 200 header info
     */
    public static String getHttpHeader200(long contentLength) {
        return "HTTP/1.1 200 OK \n" + "Content-Type: text/html \n"
                + "Content-Length: " + contentLength + " \n" + "\r\n";
    }

/**
     * 为响应码 404 提供请求头信息(此处也包含了数据内容)
     *
     * @return 404 header info
     */
    public static String getHttpHeader404() {
        String str404 = "<h1>404 not found</h1>";
        return "HTTP/1.1 404 NOT Found \n" + "Content-Type: text/html \n"
                + "Content-Length: " + str404.getBytes().length + " \n" + "\r\n" + str404;
    }
}

启动main方法：

使用IDEA访问：

在浏览器访问：

自此，我们的第二版本搞定。下面继续第三个版本；

第三版：封装请求信息和响应信息

一个http协议的请求包含三部分：

  • 方法 URI 协议/版本
  • 请求的头部
  • 主体内容

比如

POST /index.html HTTP/1.1
Accept: text/plain; text/html
Accept-Language: en-gb
Connection: Keep-Alive
Host: localhost
User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 4.01; Windows 98)
Content-Length: 33
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
Accept-Encoding: gzip, deflate

lastName=tian&firstName=JohnTian

简单的解释

  • 数据的第一行包括：方法、URI、协议和版本。在这个例子里，方法为POST，URI为/index.html，协议为HTTP/1.1，协议版本号为1.1。他们之间通过空格来分离。
  • 请求头部从第二行开始，使用英文冒号（:）来分离键和值。
  • 请求头部和主体内容之间通过空行来分离，例子中的请求体为表单数据。

类似于http协议的请求，响应也包含三个部分。

  • 协议 状态 状态描述
  • 响应的头部
  • 主体内容

比如：

HTTP/1.1 200 OK
Server: Microsoft-IIS/4.0
Date: Mon, 5 Jan 2004 13:13:33 GMT
Content-Type: text/html
Last-Modified: Mon, 5 Jan 2004 13:13:12 GMT
Content-Length: 112

<html>
<head>
<title>HTTP Response Example</title> </head>
<body>
Welcome to Brainy Software
</body>
</html>

简单解释

  • 第一行，HTTP/1.1 200 OK表示协议、状态和状态描述。
  • 之后表示响应头部。
  • 响应头部和主体内容之间使用空行来分离。

代码实现

创建一个工具类，用来获取静态资源信息。

package com.tian.v3;

import com.tian.v2.HttpProtocolUtil;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

/**
 * 提取了一些共用类和函数
 */
public class ResourceUtil {

/**
     * 根据请求 url 获取完整绝对路径
     */
    public static String getPath(String url) {
        String path = ResourceUtil.class.getResource("/").getPath();
        return path.replaceAll("\\\\", "/") + url;
    }

/**
     * 输出静态资源信息
     */
    public static void outputResource(InputStream input, OutputStream output) throws IOException {
        int count = 0;
        while (count == 0) {
            count = input.available();
        }
        int resourceSize = count;
        output.write(HttpProtocolUtil.getHttpHeader200(resourceSize).getBytes());
        long written = 0;
        int byteSize = 1024;
        byte[] bytes = new byte[byteSize];
        while (written < resourceSize) {
            if (written + byteSize > resourceSize) {
                byteSize = (int) (resourceSize - written);
                bytes = new byte[byteSize];
            }
            input.read(bytes);
            output.write(bytes);
            output.flush();
            written += byteSize;
        }
    }
}

另外HttpProtocolUtil照样用第二版本中。

再创建Request类，用来解析并存放请求相关参数。

package com.tian.v3;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class Request {
    /**
     * 请求方式, eg: GET、POST
     */
    private String method;

/**
     * 请求路径,eg: /index.html
     */
    private String url;

/**
     * 请求信息输入流 <br>
     * 示例
     * <pre>
     *  GET / HTTP/1.1
     *  Host: localhost
     *  Connection: keep-alive
     *  Pragma: no-cache
     *  Cache-Control: no-cache
     *  Upgrade-Insecure-Requests: 1
     *  User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_15_6) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/85.0.4183.83 Safari/537.36
     * </pre>
     */
    private InputStream inputStream;

public Request() {
    }

public Request(InputStream inputStream) throws IOException {
        this.inputStream = inputStream;
        int count = 0;
        while (count == 0) {
            count = inputStream.available();
        }
        byte[] bytes = new byte[count];
        inputStream.read(bytes);
        // requestString 参考：this.inputStream 示例
        String requestString = new String(bytes);
        // 按换行分隔
        String[] requestStringArray = requestString.split("\\n");
        // 读取第一行数据,即：GET / HTTP/1.1
        String firstLine = requestStringArray[0];
        // 遍历第一行数据按空格分隔
        String[] firstLineArray = firstLine.split(" ");
        this.method = firstLineArray[0];
        this.url = firstLineArray[1];
    }

public String getMethod() {
        return method;
    }

public void setMethod(String method) {
        this.method = method;
    }

public String getUrl() {
        return url;
    }

public void setUrl(String url) {
        this.url = url;
    }

public InputStream getInputStream() {
        return inputStream;
    }

public void setInputStream(InputStream inputStream) {
        this.inputStream = inputStream;
    }
}

把第二版的MyTomcat进行小小调整：

package com.tian.v3;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class MyTomcat {

private static final int PORT = 8090;
    public void start() throws IOException {
        System.out.println("my tomcat starting...");
        ServerSocket socket = new ServerSocket(PORT);
        while (true) {
            Socket accept = socket.accept();
            OutputStream outputStream = accept.getOutputStream();
            // 分别封装 Request 和 Response
            Request request = new Request(accept.getInputStream());
            Response response = new Response(outputStream);
            // 根据 request 中的 url，输出
            response.outputHtml(request.getUrl());
            accept.close();
        }
    }
   
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        MyTomcat tomcat = new MyTomcat();
        tomcat.start();
    }
}

然后再创建一个index.html，内容很简单：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>hello world</title>
</head>
<body>
<h2> you already succeed！</h2>
</body>
</html>

这一需要注意，index.html文件的存放路径不放错了，视本地路径来定哈，放在classes文件夹下的。你可以debug试试，看看你应该放在那个目录下。

启动MyTomcat。

访问http://localhost:8090/index.html

自此，我们针对于Http请求参数和相应参数做了一个简单的解析以及封装。

尽管其中还有很多问题，但是字少看起来有那点像样了。我们继续第四版，

第四版：实现动态请求资源

用过servlet的同学都知道，Servlet中有三个很重要的方法init、destroy 、service 。其中还记得我们自己写LoginServlet的时候，还会重写HttpServlet中的doGet()和doPost()方法。下面们就自己来搞一个：

Servlet类代码如下：

public interface Servlet {
    void init() throws Exception;
    void destroy() throws Exception;
    void service(Request request, Response response) throws Exception;
}

然后再写一个HttpServlet来实现Servlet。

代码实现如下：

package com.tian.v4;

public abstract class HttpServlet implements Servlet {
    @Override
    public void init() throws Exception {

}

@Override
    public void destroy() throws Exception {

}

@Override
    public void service(Request request, Response response) throws Exception {
        String method = request.getMethod();
        if ("GET".equalsIgnoreCase(method)) {
            doGet(request, response);
        } else {
            doPost(request, response);
        }
    }
    public abstract void doGet(Request request, Response response) throws Exception;

public abstract void doPost(Request request, Response response) throws Exception;
}

下面我们就来写一个自己的Servlet，比如LoginServlet。

package com.tian.v4;

public class LoginServlet  extends HttpServlet {

@Override
    public void doGet(Request request, Response response) throws Exception {
        String repText = "<h1> LoginServlet by GET method</h1>";
        response.output(HttpProtocolUtil.getHttpHeader200(repText.length()) + repText);
    }

@Override
    public void doPost(Request request, Response response) throws Exception {
        String repText = "<h1>LoginServlet by POST method</h1>";
        response.output(HttpProtocolUtil.getHttpHeader200(repText.length()) + repText);
    }

@Override
    public void init() throws Exception {
    }

@Override
    public void destroy() throws Exception {
    }
}

大家是否还记得，我们在学习Servlet的时候，在resources目录下面有个web.xml。我们这个版本也把这个xml文件给引入。

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<web-app>
    <servlet>
        <servlet-name>login</servlet-name>
        <servlet-class>com.tian.v4.LoginServlet</servlet-class>
    </servlet>

<servlet-mapping>
        <servlet-name>login</servlet-name>
        <url-pattern>/login</url-pattern>
    </servlet-mapping>
</web-app>

既然引入了xml文件，那我们就需要去读取这个xml文件，并解析器内容。所以这里我们需要引入两个jar包。

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>dom4j</groupId>
        <artifactId>dom4j</artifactId>
        <version>1.6.1</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>jaxen</groupId>
        <artifactId>jaxen</artifactId>
        <version>1.1.6</version>
    </dependency>
</dependencies>

万事俱备，只欠东风了。这时候我们来吧MyTomcat这个类做一些调整即可。

下面有个很重要的initServlet()方法，刚刚是对应下面这张图中的List servlets，但是我们代码里使用的是Map来存储Servlet的，意思就那么个意思，把Servlet放在集合里。

这也就是为什么大家都把Tomcat叫做Servlet容器的原因，其实真正的容器还是java集合。

package com.tian.v4;

import com.tian.v3.RequestV3;
import com.tian.v3.ResponseV3;
import org.dom4j.Document;
import org.dom4j.Element;
import org.dom4j.io.SAXReader;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;

public class MyTomcat {
    /**
     * 设定启动和监听端口
     */
    private static final int PORT = 8090;
    /**
     * 存放 Servlet信息，url: Servlet 实例
     */
    private Map<String, HttpServlet> servletMap = new HashMap<>();
 
    public void start() throws Exception {

System.out.println("my tomcat starting...");
        initServlet();
        ServerSocket socket = new ServerSocket(PORT);
        while (true) {
            Socket accept = socket.accept();
            OutputStream outputStream = accept.getOutputStream();
            // 分别封装 RequestV3 和 ResponseV3
            RequestV4 requestV3 = new RequestV4(accept.getInputStream());
            ResponseV4 responseV3 = new ResponseV4(outputStream);
            // 根据 url 来获取 Servlet
            HttpServlet httpServlet = servletMap.get(requestV3.getUrl());
            // 如果 Servlet 为空，说明是静态资源，不为空即为动态资源，需要执行 Servlet 里的方法
            if (httpServlet == null) {
                responseV3.outputHtml(requestV3.getUrl());
            } else {
                httpServlet.service(requestV3, responseV3);
            }
            accept.close();
        }
    } 
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyTomcat tomcat = new MyTomcat();
        tomcat.start();
    }

/**
     * 解析web.xml文件，把url和servlet解析出来，
     * 并保存到一个java集合里（Map）
     */
    public void initServlet() throws Exception {
        InputStream resourceAsStream = this.getClass().getClassLoader().getResourceAsStream("web.xml");
        SAXReader saxReader = new SAXReader();
        Document document = saxReader.read(resourceAsStream);
        Element rootElement = document.getRootElement();
        List<Element> list = rootElement.selectNodes("//servlet");
        for (Element element : list) {
            // <servlet-name>show</servlet-name>
            Element servletnameElement = (Element) element.selectSingleNode("servlet-name");
            String servletName = servletnameElement.getStringValue();
            // <servlet-class>server.ShowServlet</servlet-class>
            Element servletclassElement = (Element) element.selectSingleNode("servlet-class");
            String servletClass = servletclassElement.getStringValue();

// 根据 servlet-name 的值找到 url-pattern
            Element servletMapping = (Element) rootElement.selectSingleNode("/web-app/servlet-mapping[servlet-name='" + servletName + "']");
            // /show
            String urlPattern = servletMapping.selectSingleNode("url-pattern").getStringValue();
            servletMap.put(urlPattern, (HttpServlet) Class.forName(servletClass).getDeclaredConstructor().newInstance());
        }
    }
}

启动，再次访问http://localhost:8090/index.html

同时，我们可以访问http://localhost:8090/login

到此，第四个版本也搞定了。

但是前面四个版本都有一个共同的问题，全部使用的是BIO。

BIO：同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。

所以，大家在网上看到的手写tomcat的，也有使用线程池来做的，这里希望大家能get到为什么使用线程池来实现。另外，其实在tomcat高版本中已经没有使用BIO了。

而 HTTP/1.1默认使用的就是NIO了。

但这个只是通信方式，重点是我们要理解和掌握tomcat的整体实现。

总结

另外，发现上面都是讲配置文件解析，并将对应数据保存起来。熟悉这个套路后，大家是不是想到，我们很多配置项都是在server.xml中，还记得否？也是可以通过解析某个目录下的server.xml文件，并把内容赋给java中相应的变量罢了。

比如：

1.server.xml中的端口配置，我们是在代码里写死的而已，改成MyTomcat启动的时候去解析并获取不久得了吗？

2.我们通常是将我们项目的打成war，然后解压到某个目录下，最后还不是可以通过读取这个解压后的某个目录中找到web.xml，然后用回到上面的web.xml解析了。

本文主要是分享如何从一个塑料版到黄金版、然后铂金版，最后到砖石版。可以把加入线程池的版本称之为星耀版，最后把相关server.xml解析，以及读取我们放入到tomcat中项目解析可以称之为王者版。

技术点：Socket编程、InputStream、OutputStream、线程池、xml文件解析、反射。更高级版本中NIO，AIO等。

不是为了装逼而来搞这个tomcat，而是为了我们更深刻的理解tomcat的原理。

参考：http://ccx4.cn/Sr5yL

部分图片来源网络，侵删！

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