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Spring Boot 嵌入式Web容器

由 梦想的初衷 提交于 2019-12-28 17:53:54

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前言

        最近在学习Spring Boot相关的课程，过程中以笔记的形式记录下来，方便以后回忆，同时也在这里和大家探讨探讨，文章中有漏的或者有补充的、错误的都希望大家能够及时提出来，本人在此先谢谢了！

开始之前呢，希望大家带着几个问题去学习：
1、Spring Boot 嵌入式Web容器是什么？
2、整体流程或结构是怎样的？
3、核心部分是什么？
4、怎么实现的？
这是对自我的提问，我认为带着问题去学习，是一种更好的学习方式，有利于加深理解。好了，接下来进入主题。

1、起源

        在当今的互联网场景中，与终端用户交互的应用大多数是 Web 应用，其中 Java Web 应用尤为突出，其对应的 Java Web 容器发展至今也分为 Servlet Web 容器和 Reactive Web 容器，前者的使用率大概占比是百分之九十左右，其具体的实现有 Tomcat、Jetty 和 Undertow；而后者出现较晚，且技术栈体系并未完全成熟，还有待时间验证可行性，它的默认实现为 Netty Web Server。其中的 Servlet 规范与三种 Servlet 容器的版本关系如下：

Servlet 规范 Tomcat Jetty Undertow
4.0 9.X 9.X 2.X
3.1 8.X 8.X 1.X
3.0 7.X 8.X N/A
2.5 6.X 8.X N/A

以上 Web 容器均被 Spring Boot 嵌入至其中作为其核心特性，来简化 Spring Boot应用启动流程。Spring Boot 通过 Maven 依赖来切换应用的嵌入式容器类型，其对应的 Maven jar 分别是：

<!-- Tomcat -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
</dependency>

<!-- undertow -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-undertow</artifactId>
</dependency>

<!-- jetty -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-jetty</artifactId>
</dependency>

<!-- netty Web Server -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-reactor-netty</artifactId>
</dependency>

前三者是 Servlet Web 实现，最后则是 Reactive Web 的实现。值得注意的是，当我们引用的是 Servlet Web 功能模块时，它会自动集成 Tomcat ，里面包含了 Tomcat 的 Maven 依赖包，也就是说 Tomcat 是默认的 Servlet Web 容器。Servlet Web 模块的 Maven 依赖如下：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>

而如果引用的是 Reactive Web 功能模块时，则会默认集成 netty Web Server 。Reactive Web 模块的依赖如下：

<dependency>
   <groupId>org.springframework.boot</groupId>
   <artifactId>spring-boot-starter-webflux</artifactId>
</dependency>

不过，上面的三种 Servlet Web 容器也能作为 Reactive Web 容器 ，并允许替换默认实现 Netty Web Server，因为 Servlet 3.1+容器同样满足 Reactive 异步非阻塞特性。

接下来，我们重点讨论嵌入式 Web 容器的启动流程。

注：本篇文章所用到的 Spring Boot版本是 2.1.6.BUILD-SNAPSHOT

2、容器启动流程解析

        Spring Boot 嵌入式容器启动时会先判断当前的应用类型，是 Servlet Web 还是 Reactive Web ，之后会创建相应类型的 ApplicationContext 上下文，在该上下文中先获取容器的工厂类，然后利用该工厂类创建具体的容器。接下来，我们进行详细讨论。

从 Spring Boot 启动类开始：

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

2.1、获取应用类型

先来看看，获取应用类型的过程，进入 run 的重载方法：

public class SpringApplication {

    // 1、该方法中，先构造 SpringApplication 对象，再调用该对象的 run 方法。我们进入第二步查看构造过程
    public static ConfigurableApplicationContext run(Class<?>[] primarySources,
			String[] args) {
		return new SpringApplication(primarySources).run(args);
	}
	
	// 2、webApplicationType 存储的就是应用的类型，通过 deduceFromClasspath 方法返回。
	// 我们进入第三步查看该方法实现
	public SpringApplication(ResourceLoader resourceLoader, Class<?>... primarySources) {
		...
		this.webApplicationType = WebApplicationType.deduceFromClasspath();
		...
	}
}

public enum WebApplicationType {

    private static final String[] SERVLET_INDICATOR_CLASSES = { "javax.servlet.Servlet",
			"org.springframework.web.context.ConfigurableWebApplicationContext" };

	private static final String WEBMVC_INDICATOR_CLASS = "org.springframework." + "web.servlet.DispatcherServlet";

	private static final String WEBFLUX_INDICATOR_CLASS = "org." + "springframework.web.reactive.DispatcherHandler";

	private static final String JERSEY_INDICATOR_CLASS = "org.glassfish.jersey.servlet.ServletContainer";

    // 3、这里其实是根据引入的 Web 模块 jar 包，来判断是否包含各 Web 模块的类，来返回相应的应用类型
    static WebApplicationType deduceFromClasspath() {
    
        // 当 DispatcherHandler 类存在，DispatcherServlet 和 ServletContainer 不存在时，
        // 返回 Reactive ，表示当前 Spring Boot 应用类型是 Reactive Web 。
        // 前者是 Reactice Web jar 中的类，后两者是 Servlet Web 中的。
		if (ClassUtils.isPresent(WEBFLUX_INDICATOR_CLASS, null) && !ClassUtils.isPresent(WEBMVC_INDICATOR_CLASS, null)
				&& !ClassUtils.isPresent(JERSEY_INDICATOR_CLASS, null)) {
			return WebApplicationType.REACTIVE;
		}
		
		// 这里判断是非 Web 应用类型
		for (String className : SERVLET_INDICATOR_CLASSES) {
			if (!ClassUtils.isPresent(className, null)) {
				return WebApplicationType.NONE;
			}
		}
		
		// 以上都不满足时，最后返回 Servlet 。
		return WebApplicationType.SERVLET;
	}
}

以上，在 SpringApplication 的构造阶段确定了当前应用的类型，该类型名称存储在 webApplicationType 字段中。

2.2、容器启动流程

接着进入容器启动流程，进入重载的 run 方法中：

public class SpringApplication {

    public static final String DEFAULT_CONTEXT_CLASS = "org.springframework.context."
			+ "annotation.AnnotationConfigApplicationContext";

    public static final String DEFAULT_WEB_CONTEXT_CLASS = "org.springframework.boot."
			+ "web.servlet.context.AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext";
			
    public static final String DEFAULT_REACTIVE_WEB_CONTEXT_CLASS = "org.springframework."
			+ "boot.web.reactive.context.AnnotationConfigReactiveWebServerApplicationContext";
			
    ...
    
    private WebApplicationType webApplicationType;
    
    ...
    
    public ConfigurableApplicationContext run(String... args) {
		...
		
		ConfigurableApplicationContext context = null;
		
		try {
			...
			// 1、通过 createApplicationContext 方法创建对应的 ApplicationContext 应用上下文，进入 1.1 查看具体实现
			context = createApplicationContext();
			
			...
			
			// 2、该方法实质是启动 Spring 应用上下文的，但 Spring Boot 嵌入式容器也在该过程中被启动，入参是上下文对象，我们进入 2.1 进行跟踪
			refreshContext(context);
			
			...
		}
		...
	}
	
	// 1.1、
	protected ConfigurableApplicationContext createApplicationContext() {
		Class<?> contextClass = this.applicationContextClass;
		if (contextClass == null) {
			try {
			
			    // 这里就是通过 webApplicationType 属性，判断应用类型，来创建不同的 ApplicationContext 应用上下文
				switch (this.webApplicationType) {
				case SERVLET:
					
					// 返回的是 Servlet Web ，具体对象为 AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext，
					// 该类有一个关键父类 ServletWebServerApplicationContext
					contextClass = Class.forName(DEFAULT_WEB_CONTEXT_CLASS);
					break;
				case REACTIVE:
				
				    // 返回的是 Reactive Web，具体对象为 AnnotationConfigReactiveWebServerApplicationContext
					contextClass = Class.forName(DEFAULT_REACTIVE_WEB_CONTEXT_CLASS);
					break;
				default:
				
				    // 应用类型是非 Web 时，返回 AnnotationConfigApplicationContext
					contextClass = Class.forName(DEFAULT_CONTEXT_CLASS);
				}
			}
			...
		}
		return (ConfigurableApplicationContext) BeanUtils.instantiateClass(contextClass);
	}
	
	// 2.1
	private void refreshContext(ConfigurableApplicationContext context) {
		
		// 里面调用的是 refresh 方法，进入 2.2 继续跟踪
		refresh(context);
		
		...
	}
	
	// 2.2
	protected void refresh(ApplicationContext applicationContext) {
		Assert.isInstanceOf(AbstractApplicationContext.class, applicationContext);
		
		// 最终调用了 所有应用上下文的统一抽象类 AbstractApplicationContext 中的 refresh 方法，进入 3 查看实现
		((AbstractApplicationContext) applicationContext).refresh();
	}
	
	...
}

AbstractApplicationContext 是 Spring 应用上下文的核心启动类，Spring 的 ioc 从这里就开始进入创建流程。在后续在 Spring 系列的文章中会进行详细讨论，我们这里只关注容器创建的部分。

public abstract class AbstractApplicationContext extends DefaultResourceLoader
		implements ConfigurableApplicationContext {
    
    ...
    
    // 3
    @Override
	public void refresh() throws BeansException, IllegalStateException {
		synchronized (this.startupShutdownMonitor) {
			
			try {
				...
                
                // Web 容器在这个方法中启动，但在当前抽象类中这个方法是个空实现，具体由 ApplicationContext 上下文的子类对象进行重写，
                // 我们进入 4 查看其中一个子类的实现
				onRefresh();

				...
			}
		}
		...
	}
	...
}

这里以 Servlet web 为例，具体上下文对象是 AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext，该类实现了 ServletWebServerApplicationContext 类，onRefresh 方法由该类进行重写。

public class ServletWebServerApplicationContext extends GenericWebApplicationContext
		implements ConfigurableWebServerApplicationContext {
    ...
    
    // 4
    @Override
	protected void onRefresh() {
		
		...
		
		try {
		
		    // 里面调用了 createWebServer 方法，进入 5 查看实现
			createWebServer();
		}
		catch (Throwable ex) {
			throw new ApplicationContextException("Unable to start web server", ex);
		}
	}
	
	...
	
	// 5
	private void createWebServer() {
	    
	    // WebServer 就是容器对象，是一个接口，其对应的实现类分别是：
	    // JettyWebServer、TomcatWebServer、UndertowWebServer、NettyWebServer。这些容器对象由对应的容器工厂类进行创建
		WebServer webServer = this.webServer;
		ServletContext servletContext = getServletContext();
		
		// 当 webServer 等于 null ，也就是容器还没创建时，进入该 if 中
		if (webServer == null && servletContext == null) {
		    
		    // 这里是获取 创建 Servlet Web 容器的工厂类，也是一个接口，有三个实现，分别是：
		    // JettyServletWebServerFactory、TomcatServletWebServerFactory、UndertowServletWebServerFactory
			ServletWebServerFactory factory = getWebServerFactory();
			
			// 通过容器工厂类的 getWebServer 方法，创建容器对象。这里以创建 Tomcat 为例，来继续跟踪容器的创建流程，
			// 跳到 6 查看 TomcatServletWebServerFactory 的 getWebServer 方法
			this.webServer = factory.getWebServer(getSelfInitializer());
		}
		
		...
	}
}

TomcatServletWebServerFactory 是创建 Tomcat 的 Web 容器工厂类，但这个工厂类是如何被创建的呢？这里将会在文章的第三部分进行详细讨论。

public class TomcatServletWebServerFactory extends AbstractServletWebServerFactory
		implements ConfigurableTomcatWebServerFactory, ResourceLoaderAware {
    
    ...
    // 6、
    @Override
	public WebServer getWebServer(ServletContextInitializer... initializers) {
		
		// 方法中先进行创建 Tomcat 的流程，如 Container 、Engine、Host、Servlet 几个容器的组装。
		// 后续有机会再对 Tomcat 进行详细讨论，这里就不深入了
		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);
		
		// 通过 getTomcatWebServer 方法返回 TomcatWebServer 容器对象。进入 7 查看接下来的流程
		return getTomcatWebServer(tomcat);
	}
	
	...
	
	// 7、这里通过 TomcatWebServer 的构造方法创建该对象。进入 8 继续跟踪
	protected TomcatWebServer getTomcatWebServer(Tomcat tomcat) {
		return new TomcatWebServer(tomcat, getPort() >= 0);
	}
	
	...
}

TomcatWebServer 是具体的容器对象，在其对应的工厂类中进行创建，其实现了 WebServer 接口，并在该对象中进行 Tomcat 的启动流程。

public class TomcatWebServer implements WebServer {

    ...

    // 8、
    public TomcatWebServer(Tomcat tomcat, boolean autoStart) {
		Assert.notNull(tomcat, "Tomcat Server must not be null");
		this.tomcat = tomcat;
		this.autoStart = autoStart;
		
		// 进入 initialize 方法中，查看实现
		initialize();
	}

	private void initialize() throws WebServerException {
		logger.info("Tomcat initialized with port(s): " + getPortsDescription(false));
		synchronized (this.monitor) {
			try {
			
				...

				// 调用 Tomcat 的 start 方法，正式启动
				this.tomcat.start();

				...
				
				// 启动守护线程来监听http请求 
				startDaemonAwaitThread();
			}
			...
		}
	}
	
	...
}

到这里，Web 容器的启动流程就结束了，以上是以 Servlet Web 及其具体的 Tomcat 容器为例子进行的讨论，这也是大部分开发者常用的体系。接着来对整个过程做一个总结。

  • 首先通过引入的 Web 模块 Maven 依赖 ，来判断当前应用的类型，如 Servlet Web 或 Reactive Web。并根据应用类型来创建相应的 ApplicationContext 上下文对象。
  • 然后调用了 ApplicationContext 的父抽象类 AbstractApplicationContext 中的 refresh 方法，又在该方法中调用了子类的 onRefresh 方法。
  • 最后是在 onRefresh 中通过容器的工厂类创建具体容器对象，并在该容器对象中进行启动。

3、加载 Web 容器工厂

        上面说过， Web 容器对象是由其对应的工厂类进行创建的，那容器工厂类又是怎么创建呢？我们这里就来看一看。在《Spring Boot 自动装配（二）》的 1.2 小节说过， Spring Boot 启动时，会读取所有 jar 包中 META-INF 文件夹下的 spring.factories 文件，并加载文件中定义好的类，如：

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

...

其中有一个 ServletWebServerFactoryAutoConfiguration 类：

@Configuration
@AutoConfigureOrder(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE)
@ConditionalOnClass(ServletRequest.class)
@ConditionalOnWebApplication(type = Type.SERVLET)
@EnableConfigurationProperties(ServerProperties.class)
@Import({ ServletWebServerFactoryAutoConfiguration.BeanPostProcessorsRegistrar.class,
		ServletWebServerFactoryConfiguration.EmbeddedTomcat.class,
		ServletWebServerFactoryConfiguration.EmbeddedJetty.class,
		ServletWebServerFactoryConfiguration.EmbeddedUndertow.class })
public class ServletWebServerFactoryAutoConfiguration {
    ...
}

该类通过 @Import 导入了 ServletWebServerFactoryConfiguration 中的三个内部类，这三个内部类就是用来创建容器工厂，我们进入其中查看具体实现：

@Configuration
class ServletWebServerFactoryConfiguration {

    // 通过 @ConditionalOnClass 判断 Servlet 、Tomcat、UpgradeProtocol 这三个 Class 是否存在，
    // 当引用的是 Tomcat Maven 依赖时，则 Class 才存在，并创建 Tomcat 的容器工厂类 TomcatServletWebServerFactory
	@Configuration
	@ConditionalOnClass({ Servlet.class, Tomcat.class, UpgradeProtocol.class })
	@ConditionalOnMissingBean(value = ServletWebServerFactory.class, search = SearchStrategy.CURRENT)
	public static class EmbeddedTomcat {

		@Bean
		public TomcatServletWebServerFactory tomcatServletWebServerFactory() {
			return new TomcatServletWebServerFactory();
		}
	}

    // 当引用的是 Jetty Maven 依赖时，@ConditionalOnClass 条件才满足，
    // 创建的容器工厂类是 JettyServletWebServerFactory 
	@Configuration
	@ConditionalOnClass({ Servlet.class, Server.class, Loader.class, WebAppContext.class })
	@ConditionalOnMissingBean(value = ServletWebServerFactory.class, search = SearchStrategy.CURRENT)
	public static class EmbeddedJetty {

		@Bean
		public JettyServletWebServerFactory JettyServletWebServerFactory() {
			return new JettyServletWebServerFactory();
		}
	}

    // 当引用的是 Undertow Maven 依赖时，@ConditionalOnClass 条件才满足，
    // 创建的容器工厂类是 UndertowServletWebServerFactory 
	@Configuration
	@ConditionalOnClass({ Servlet.class, Undertow.class, SslClientAuthMode.class })
	@ConditionalOnMissingBean(value = ServletWebServerFactory.class, search = SearchStrategy.CURRENT)
	public static class EmbeddedUndertow {

		@Bean
		public UndertowServletWebServerFactory undertowServletWebServerFactory() {
			return new UndertowServletWebServerFactory();
		}
	}

可以看到，主要是通过引入相应 Web 容器的 Maven 依赖，来判断容器对应的 Class 是否存在，存在则创建相应的容器工厂类。

4、总结

        最后，来对 Spring Boot 嵌入式 Web 容器做一个整体的总结。Spring Boot 支持的两大 Web 容器体系，一个是 Servlet Web ，另一个是 Reactive Web ，它们都有其具体的容器实现，相信大多数开发者使用的都是前者，且最常用的容器实现也是 Tomcat，所以这篇文章主要讨论的也是 Spring Boot 启动 Tomcat 嵌入式容器的流程。

以上就是本章的内容，如果文章中有错误或者需要补充的请及时提出，本人感激不尽。

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