07 Tomcat如何实现一键式启停？

通过前面的学习，相信你对Tomcat的架构已经有所了解，知道了Tomcat都有哪些组件，组件之间是什么样的关系，以及Tomcat是怎么处理一个HTTP请求的。下面我们通过一张简化的类图来回顾一下，从图上你可以看到各种组件的层次关系，图中的虚线表示一个请求在Tomcat中流转的过程。

上面这张图描述了组件之间的静态关系，如果想让一个系统能够对外提供服务，我们需要创建、组装并启动这些组件；在服务停止的时候，我们还需要释放资源，销毁这些组件，因此这是一个动态的过程。也就是说，Tomcat需要动态地管理这些组件的生命周期。

在我们实际的工作中，如果你需要设计一个比较大的系统或者框架时，你同样也需要考虑这几个问题：如何统一管理组件的创建、初始化、启动、停止和销毁？如何做到代码逻辑清晰？如何方便地添加或者删除组件？如何做到组件启动和停止不遗漏、不重复？

今天我们就来解决上面的问题，在这之前，先来看看组件之间的关系。如果你仔细分析过这些组件，可以发现它们具有两层关系。

第一层关系是组件有大有小，大组件管理小组件，比如Server管理Service，Service又管理连接器和容器。
第二层关系是组件有外有内，外层组件控制内层组件，比如连接器是外层组件，负责对外交流，外层组件调用内层组件完成业务功能。也就是说，请求的处理过程是由外层组件来驱动的。

这两层关系决定了系统在创建组件时应该遵循一定的顺序。

第一个原则是先创建子组件，再创建父组件，子组件需要被“注入”到父组件中。
第二个原则是先创建内层组件，再创建外层组件，内层组件需要被“注入”到外层组件。

因此，最直观的做法就是将图上所有的组件按照先小后大、先内后外的顺序创建出来，然后组装在一起。不知道你注意到没有，这个思路其实很有问题！因为这样不仅会造成代码逻辑混乱和组件遗漏，而且也不利于后期的功能扩展。

为了解决这个问题，我们希望找到一种通用的、统一的方法来管理组件的生命周期，就像汽车“一键启动”那样的效果。

一键式启停：Lifecycle接口

我在前面说到过，设计就是要找到系统的变化点和不变点。这里的不变点就是每个组件都要经历创建、初始化、启动这几个过程，这些状态以及状态的转化是不变的。而变化点是每个具体组件的初始化方法，也就是启动方法是不一样的。

因此，我们把不变点抽象出来成为一个接口，这个接口跟生命周期有关，叫作Lifecycle。Lifecycle接口里应该定义这么几个方法：init、start、stop和destroy，每个具体的组件去实现这些方法。

理所当然，在父组件的init方法里需要创建子组件并调用子组件的init方法。同样，在父组件的start方法里也需要调用子组件的start方法，因此调用者可以无差别的调用各组件的init方法和start方法，这就是组合模式的使用，并且只要调用最顶层组件，也就是Server组件的init和start方法，整个Tomcat就被启动起来了。下面是Lifecycle接口的定义。

可扩展性：Lifecycle事件

我们再来考虑另一个问题，那就是系统的可扩展性。因为各个组件init和start方法的具体实现是复杂多变的，比如在Host容器的启动方法里需要扫描webapps目录下的Web应用，创建相应的Context容器，如果将来需要增加新的逻辑，直接修改start方法？这样会违反开闭原则，那如何解决这个问题呢？开闭原则说的是为了扩展系统的功能，你不能直接修改系统中已有的类，但是你可以定义新的类。

我们注意到，组件的init和start调用是由它的父组件的状态变化触发的，上层组件的初始化会触发子组件的初始化，上层组件的启动会触发子组件的启动，因此我们把组件的生命周期定义成一个个状态，把状态的转变看作是一个事件。而事件是有监听器的，在监听器里可以实现一些逻辑，并且监听器也可以方便的添加和删除，这就是典型的观察者模式。

具体来说就是在Lifecycle接口里加入两个方法：添加监听器和删除监听器。除此之外，我们还需要定义一个Enum来表示组件有哪些状态，以及处在什么状态会触发什么样的事件。因此Lifecycle接口和LifecycleState就定义成了下面这样。

从图上你可以看到，组件的生命周期有NEW、INITIALIZING、INITIALIZED、STARTING_PREP、STARTING、STARTED等，而一旦组件到达相应的状态就触发相应的事件，比如NEW状态表示组件刚刚被实例化；而当init方法被调用时，状态就变成INITIALIZING状态，这个时候，就会触发BEFORE_INIT_EVENT事件，如果有监听器在监听这个事件，它的方法就会被调用。

重用性：LifecycleBase抽象基类

有了接口，我们就要用类去实现接口。一般来说实现类不止一个，不同的类在实现接口时往往会有一些相同的逻辑，如果让各个子类都去实现一遍，就会有重复代码。那子类如何重用这部分逻辑呢？其实就是定义一个基类来实现共同的逻辑，然后让各个子类去继承它，就达到了重用的目的。

而基类中往往会定义一些抽象方法，所谓的抽象方法就是说基类不会去实现这些方法，而是调用这些方法来实现骨架逻辑。抽象方法是留给各个子类去实现的，并且子类必须实现，否则无法实例化。

比如宝马和荣威的底盘和骨架其实是一样的，只是发动机和内饰等配套是不一样的。底盘和骨架就是基类，宝马和荣威就是子类。仅仅有底盘和骨架还不是一辆真正意义上的车，只能算是半成品，因此在底盘和骨架上会留出一些安装接口，比如安装发动机的接口、安装座椅的接口，这些就是抽象方法。宝马或者荣威上安装的发动机和座椅是不一样的，也就是具体子类对抽象方法有不同的实现。

回到Lifecycle接口，Tomcat定义一个基类LifecycleBase来实现Lifecycle接口，把一些公共的逻辑放到基类中去，比如生命状态的转变与维护、生命事件的触发以及监听器的添加和删除等，而子类就负责实现自己的初始化、启动和停止等方法。为了避免跟基类中的方法同名，我们把具体子类的实现方法改个名字，在后面加上Internal，叫initInternal、startInternal等。我们再来看引入了基类LifecycleBase后的类图：

从图上可以看到，LifecycleBase实现了Lifecycle接口中所有的方法，还定义了相应的抽象方法交给具体子类去实现，这是典型的模板设计模式。

我们还是看一看代码，可以帮你加深理解，下面是LifecycleBase的init方法实现。

@Override
public final synchronized void init() throws LifecycleException {
    //1. 状态检查
    if (!state.equals(LifecycleState.NEW)) {
        invalidTransition(Lifecycle.BEFORE_INIT_EVENT);
    }

    try {
        //2.触发INITIALIZING事件的监听器
        setStateInternal(LifecycleState.INITIALIZING, null, false);

        //3.调用具体子类的初始化方法
        initInternal();

        //4. 触发INITIALIZED事件的监听器
        setStateInternal(LifecycleState.INITIALIZED, null, false);
    } catch (Throwable t) {
      ...
    }
}

这个方法逻辑比较清楚，主要完成了四步：

第一步，检查状态的合法性，比如当前状态必须是NEW然后才能进行初始化。

第二步，触发INITIALIZING事件的监听器：

setStateInternal(LifecycleState.INITIALIZING, null, false);

在这个setStateInternal方法里，会调用监听器的业务方法。

第三步，调用具体子类实现的抽象方法initInternal方法。我在前面提到过，为了实现一键式启动，具体组件在实现initInternal方法时，又会调用它的子组件的init方法。

第四步，子组件初始化后，触发INITIALIZED事件的监听器，相应监听器的业务方法就会被调用。

setStateInternal(LifecycleState.INITIALIZED, null, false);

总之，LifecycleBase调用了抽象方法来实现骨架逻辑。讲到这里，你可能好奇，LifecycleBase负责触发事件，并调用监听器的方法，那是什么时候、谁把监听器注册进来的呢？

分为两种情况：

Tomcat自定义了一些监听器，这些监听器是父组件在创建子组件的过程中注册到子组件的。比如MemoryLeakTrackingListener监听器，用来检测Context容器中的内存泄漏，这个监听器是Host容器在创建Context容器时注册到Context中的。
我们还可以在server.xml中定义自己的监听器，Tomcat在启动时会解析server.xml，创建监听器并注册到容器组件。

生周期管理总体类图

通过上面的学习，我相信你对Tomcat组件的生命周期的管理有了深入的理解，我们再来看一张总体类图继续加深印象。

这里请你注意，图中的StandardServer、StandardService等是Server和Service组件的具体实现类，它们都继承了LifecycleBase。

StandardEngine、StandardHost、StandardContext和StandardWrapper是相应容器组件的具体实现类，因为它们都是容器，所以继承了ContainerBase抽象基类，而ContainerBase实现了Container接口，也继承了LifecycleBase类，它们的生命周期管理接口和功能接口是分开的，这也符合设计中接口分离的原则。

本期精华

Tomcat为了实现一键式启停以及优雅的生命周期管理，并考虑到了可扩展性和可重用性，将面向对象思想和设计模式发挥到了极致，分别运用了组合模式、观察者模式、骨架抽象类和模板方法。

如果你需要维护一堆具有父子关系的实体，可以考虑使用组合模式。

观察者模式听起来“高大上”，其实就是当一个事件发生后，需要执行一连串更新操作。传统的实现方式是在事件响应代码里直接加更新逻辑，当更新逻辑加多了之后，代码会变得臃肿，并且这种方式是紧耦合的、侵入式的。而观察者模式实现了低耦合、非侵入式的通知与更新机制。

而模板方法在抽象基类中经常用到，用来实现通用逻辑。

课后思考

从文中最后的类图上你会看到所有的容器组件都扩展了ContainerBase，跟LifecycleBase一样，ContainerBase也是一个骨架抽象类，请你思考一下，各容器组件有哪些“共同的逻辑”需要ContainerBase由来实现呢？

不知道今天的内容你消化得如何？如果还有疑问，请大胆的在留言区提问，也欢迎你把你的课后思考和心得记录下来，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得今天有所收获，欢迎你把它分享给你的朋友。

精选留言（15）

一路远行 👍（104） 💬（2）
ContainerBase提供了针对Container接口的通用实现，所以最重要的职责包含两个: 1) 维护容器通用的状态数据 2) 提供管理状态数据的通用方法容器的关键状态信息和方法有: 1) 父容器, 子容器列表 getParent, setParent, getParentClassLoader, setParentClassLoader; getStartChildren, setStartChildren, addChild, findChild, findChildren, removeChild. 2) 容器事件和属性监听者列表 findContainerListeners, addContainerListener, removeContainerListener, fireContainerEvent; addPropertyChangeListener, removePropertyChangeListener. 3) 当前容器对应的pipeline getPipeline, addValve. 除了以上三类状态数据和对应的接口，ContainerBase还提供了两类通用功能: 1) 容器的生命周期实现，从LifecycleBase继承而来，完成状态数据的初始化和销毁 startInternal, stopInternal, destroyInternal 2) 后台任务线程管理，比如容器周期性reload任务 threadStart, threadStop，backgroundProcess. 想了解更多技术细节，可以参考源码org.apache.catalina.core.ContainerBase，有源码有真相。
2019-05-26

allean 👍（51） 💬（5）
原理理解之后特别想看看源码是怎么写的，不看源码总感觉不踏实🤣，老师在介绍组件原理之后可不可以指明怎么启动Tomcat源码，并debug啊，多谢
2019-05-25

why 👍（20） 💬（1）
- 系统启动时会创建，组装，启动组件，服务停止时释放资源销毁组件。 - 组件间由两层关系 - 组件有大有小, 大组件管理小组件( Server 管 Service ) - 组件有内有外, 外层控制内层( 连接器控制容器 ) - 关系决定创建应有的顺序 - 先创建子组件, 再创建父组件, 子组件注入父组件 - 先创建内层组件, 再创建外层, 内层注入外层组件 - 以上方法存在的问题: 代码混乱/组件遗漏/不利扩展 - 解决方法: 通用, 统一的组件管理 - LifeCycle 接口 ( 通用性 → 组合模式 ) - 不变: 组件创建, 初始化, 启动等状态 - 变化: 具体启动方法 - 将不变抽象为接口 LifeCycle, 包括四个方法 init start stop destroy; 以下为组合模式: - 父组件 init 方法创建子组件并调用其 init 方法 - 父组件 start 调用子组件 start 方法 - 只要调用最顶层 init start 就可以启动应用 - LifeCycle 事件 ( 扩展性 → 观察者模式 ) - 系统可扩展性, 应遵循开闭原则: 不能修改已有的类, 可以定义新的类 - 上层 init 等方法触发下层 init 等方法, 把状态当做事件, 事件有对应Listener; Listener可方便添加和删除, 此为观察者模式 - 在 LifeCycle 中加入两个方法: 添加/删除Listener, 并用 Enum 定义状态及其对应触发事件 - LifeCycleBase 抽象基类 ( 重用性 → 模板设计模式 ) - 接口实现类有一些相同的逻辑, 定义一个基类实现共同的逻辑 - 基类会定义一些抽象方法, 调用这些方法实现子类逻辑 - LifeCycleBase 实现 LifeCycle 接口, 实现通用逻辑: 状态转变/维护, 事件触发, 监控器添加/删除, 调用子类逻辑 - LifeCycleBase 抽象基类抽象方法改名, initInternal 等, 避免与 init 重名; initInternal 会调用子组件的 init 方法 - Listener注册, 分为两种情况 - Tomcat 自定义的Listener, 父组件创建子组件是注册到子组件中 - 可在 server.xml 中定义自己的Listener, 由 Tomcat 解析, 创建Listener并注册到组件中 - 容器类生命周期管理接口与功能接口分开 → 接口分离原则
2019-05-30

尔东橙 👍（16） 💬（2）
老师，会不会考虑出一门课：深入拆解spring?我特别想听老师讲Spring架构的的设计，和里面用到的设计模式
2019-06-02

WL 👍（15） 💬（2）
请问一下老师Tomcat为什么要在LifeCycleBase中定义一系列的***internal()让子类取调用, 为什么不是子类实现接口的init()方法呢, 这一点我不是很理解, 希望老师指点一下.
2019-05-26

nsn_huang 👍（11） 💬（1）
这是Tomcat8.5版本的源码，基于Maven和IDEA，希望大家一起学习，一起进步。https://blog.csdn.net/sougou_1323/article/details/90597079
2019-05-27

Monday 👍（10） 💬（2）
思考题 1，容器的创建/初始化/销毁 2，容器添加/删除子容器 3，如果还要监听容器状态变化的话还需要有添加/移除事件的方法。请指正。本节收获，干货干货。多种设计模式还带Tomcat设计的应用场景，面试设计模式绝对加分项（我还没消化）问题：进入架构篇，就处于下面这种学习状态。 1，觉得老师讲得很有道理 2，被动的吸收着知识点，没有自己的思路 3，一看文档就感觉自己似乎是懂了，因为提不出好问题，一合上文档就感觉本节我没来过老师有没有好的建议，谢谢！
2019-05-25

飞翔 👍（8） 💬（1）
老师我从 tomcat class 里边的main方法找，跟踪到 catalina里边的load方法，在这个方法里边有digester.parse(inputSource); 我觉得这个应该是具体读serverxml的，但是在往下跟踪始终找不到哪里读server.xml 实例化server等，求指导
2019-07-15

-W.LI- 👍（8） 💬（1）
老师好!之前设计模式看过好几遍，总感觉用不上，虽然知道是自己对设计思想的理解不够深入导致的。又苦于找不到方法，看了老师的分析对设计模式，和设计原则又有了进一步的了解。问题1:对于变于不变的界定标准，哪些方法需要抽象为接口。老师有啥好的建议么。问题2:spring的event，发布一个事件时会把事件放入map.然后轮训所有的所有的观察者。观察者和event很多的时候，内存等开销，会成为性能瓶颈么?比如处理事件的逻辑比较复杂或者需要IO操作。会有处理速度跟不上事件发生的速度这样的情况导致OOM的么?
2019-05-25

Geek_ebda96 👍（7） 💬（1）
老师，你的意思是配置在server.xml里的connector的线程池是tomcat对于一个应用的全局线程池，用于接受请求的socketprocessor会放到这个线程池里，假如这个应用里面有后台一些定时job或或其他需要异步线程处理的业务，也会从这个大的线程池里取线程处理，不会再单独做新建线程？
2019-06-06

刘冬 👍（7） 💬（2）
强烈呼吁老师能够讲解一下，怎么启动Tomcat的源码、调试。怎么读源码。另外，有些Interface的实现是在单独的Jar中，用Intellij无法直接看到Implementation，请问有什么好的办法看到这部分的源码吗？
2019-05-26

锟铻 👍（6） 💬（1）
弱弱的问题问题，上面有提到：如果想让一个系统能够对外提供服务，我们需要创建、组装并启动这些组件；在服务停止的时候，我们还需要释放资源，销毁这些组件服务已经停止了，进程以及不在了，为什么还需要释放资源，销毁这些组件，不释放资源，不销毁这些组件，有什么影响？
2019-06-21

dingdongfm 👍（6） 💬（1）
请问tomcat什么时候会reload?
2019-06-11

QQ怪 👍（4） 💬（1）
还好订阅老师专栏之前看完大话设计模式，正好根据tomcat原理来体会设计模式的精髓，不然都会看不懂啊，哈哈哈
2019-05-26

空知 👍（4） 💬（1）
老师，请教下两层关系决定了组件由内到外有小到大的加载顺序，这个地方为啥不是先外再内先大再小，上层加载好了之后根据配置去加载子(内)组件？
2019-05-25