web 容器的設(shè)計(jì)

開發(fā)一個(gè)web容器涉及很多不同方面不同層面的技術(shù)，例如通信層的知識(shí)，程序語(yǔ)言層面的知識(shí)等等，且一個(gè)可用的web容器是一個(gè)比較龐大的系統(tǒng)，要說清楚需要很長(zhǎng)的篇幅，本文旨在介紹如何設(shè)計(jì)一個(gè)web容器，只探討實(shí)現(xiàn)的思路，并不涉及過多的具體實(shí)現(xiàn)。把它分解劃分成若干模塊和組件，每個(gè)組件模塊負(fù)責(zé)不同的功能，下圖列出一些基本的組件，并將對(duì)每個(gè)組件進(jìn)行介紹。

連接接收器

主要的職責(zé)就是監(jiān)聽是否有客戶端套接字連接并接收socket，再將socket交由任務(wù)執(zhí)行器（線程池）執(zhí)行。不斷從系統(tǒng)底層讀取socket，做盡可能少的處理，再扔進(jìn)線程池。為什么強(qiáng)調(diào)要做盡可能少的處理？這里關(guān)系到系統(tǒng)性能問題，過多的處理會(huì)嚴(yán)重影響吞吐量。因?yàn)橐话阒挥幸粋€(gè)接收器（一條線程負(fù)責(zé)套接字接收工作），所以它對(duì)每次接收處理的時(shí)間長(zhǎng)短將很可能對(duì)整體性能產(chǎn)生影響。于是接收器所干的活都是非常少且簡(jiǎn)單的，僅僅維護(hù)了幾個(gè)狀態(tài)變量、流量控制閘門的累加操作、serverSocket的接收操作、設(shè)置接收到的socket的一些屬性、將接收到的socket放入線程池以及一些異常處理。其他需要較長(zhǎng)時(shí)間處理的邏輯就交給了線程池，例如對(duì)socket底層數(shù)據(jù)的讀取，對(duì)http協(xié)議報(bào)文的解析及響應(yīng)客戶端的一些操作等等。

連接數(shù)控制器

對(duì)于一臺(tái)機(jī)器而言，訪問請(qǐng)求的總流量有高峰期且服務(wù)器有物理極限，為了保證web服務(wù)器不被沖垮我們需要采取一些措施進(jìn)行保護(hù)預(yù)防，需要稍微說明的此處的流量更多的是指套接字的連接數(shù)，通過控制套接字連接個(gè)數(shù)來(lái)控制流量。其中一種有效的方法就是采取流量控制，它就像在流量的入口增加了一道閘門，閘門的大小決定了流量的大小，一旦達(dá)到最大流量將關(guān)閉閘門停止接收直到有空閑通道。計(jì)數(shù)器可用JDK的AQS框架實(shí)現(xiàn)。

套接字工廠

不同的使用場(chǎng)合可能需要不同的安全級(jí)別，例如在支付相關(guān)的交易就必須對(duì)信息加密后再發(fā)送，這其中還涉及到密鑰協(xié)商的過程，而在另外一些普通場(chǎng)合則無(wú)需對(duì)報(bào)文加密。反應(yīng)到應(yīng)用層則是使用http與https的問題。
簡(jiǎn)單講TLS\SSL協(xié)議給每次通信①提供認(rèn)證服務(wù)，認(rèn)證本次會(huì)話實(shí)體身份的合法性。②提供加密服務(wù)，強(qiáng)加密機(jī)制能保證通信過程中的消息不會(huì)被破譯。③提供防篡改服務(wù)，利用Hash算法對(duì)消息進(jìn)行簽名，通過驗(yàn)證簽名保證通信內(nèi)容不被篡改。
http協(xié)議對(duì)應(yīng)Socket，而https則對(duì)應(yīng)SSLSocket。如何生成Socket及SSLSocket則交由套接字工廠。

任務(wù)定義器——Task

定義需要執(zhí)行的任務(wù)，告訴線程池要執(zhí)行什么樣的任務(wù)。任務(wù)主要分為三點(diǎn)：處理socket并響應(yīng)客戶端、連接數(shù)計(jì)數(shù)器減一、關(guān)閉socket。其中對(duì)socket的處理是最重要也是最復(fù)雜的，它包括對(duì)底層socket字節(jié)流的讀取、http協(xié)議請(qǐng)求報(bào)文的解析（請(qǐng)求行、請(qǐng)求頭、請(qǐng)求體等信息的解析）、根據(jù)請(qǐng)求行解析得到路徑去尋找相應(yīng)主機(jī)上web項(xiàng)目的資源、根據(jù)處理的結(jié)果組裝好http協(xié)議響應(yīng)報(bào)文輸出到客戶端。

任務(wù)執(zhí)行器

一個(gè)擁有最大最小線程數(shù)限制的線程池，之所以稱之為“任務(wù)執(zhí)行器”是因?yàn)榫€程池可以看做是啟動(dòng)了若干線程不斷檢測(cè)某個(gè)任務(wù)隊(duì)列，一旦發(fā)現(xiàn)有需要執(zhí)行的任務(wù)則執(zhí)行。最大最小線程數(shù)限制、多余線程回收時(shí)間限制、超出最大線程數(shù)時(shí)線程池做出的拒絕動(dòng)作等等。

報(bào)文讀取

用于向操作系統(tǒng)底層讀取來(lái)自客戶端的報(bào)文并提供緩沖機(jī)制。報(bào)文復(fù)制到desBuf。

報(bào)文輸出

用于向操作系統(tǒng)底層寫入由web容器處理后的報(bào)文并提供緩沖機(jī)制。將報(bào)文outputBuf通過緩沖區(qū)寫入到操作系統(tǒng)。

輸入過濾器

在這個(gè)讀取的過程中希望做一些額外的處理，并且這些額外處理可能是根據(jù)不同條件做不同的處理，考慮到程序解耦與擴(kuò)展，于是引入過濾器。通過一層層的過濾器完成過濾操作后才能到desBuf，這個(gè)過程就像被加入了一道道處理關(guān)卡，經(jīng)過關(guān)卡都會(huì)被執(zhí)行相應(yīng)操作，最終完成源數(shù)據(jù)到目的數(shù)據(jù)的操作。

輸出過濾器

與輸入過濾器功能類似，用于在報(bào)文輸出的時(shí)候。

報(bào)文解析器

提供解析http協(xié)議各個(gè)部分的能力。

請(qǐng)求生成器

按照面向?qū)ο蟮乃枷?，把每個(gè)請(qǐng)求過程中與請(qǐng)求相關(guān)的屬性及協(xié)議字段等抽象成一個(gè)Request對(duì)象。包括請(qǐng)求行、請(qǐng)求頭、請(qǐng)求體三部分信息，在處理過程中需要什么值可直接從request對(duì)象中獲取。為實(shí)現(xiàn)servlet標(biāo)準(zhǔn)提供方便。

響應(yīng)生成器

與請(qǐng)求相對(duì)應(yīng)，需要一個(gè)響應(yīng)對(duì)象生成器。包括響應(yīng)行、響應(yīng)頭、響應(yīng)體三部分信息，在處理結(jié)果相關(guān)值可直接設(shè)置到response對(duì)象中。為實(shí)現(xiàn)servlet標(biāo)準(zhǔn)提供方便。

地址映射器

地址映射器是請(qǐng)求與各個(gè)web項(xiàng)目、各個(gè)資源的路由器。一個(gè)請(qǐng)求的訪問根據(jù)路徑被映射找到響應(yīng)的資源輸出給請(qǐng)求客戶端。

生命周期

為了進(jìn)一步模塊化，整個(gè)容器擁有很多組件，這些組件可能在不同的時(shí)刻需要做不同的事件，需要一個(gè)生命周期統(tǒng)一把所有組件管理起來(lái)。例如所有組件的啟動(dòng)、停止、關(guān)閉等操作都抽離由生命周期統(tǒng)一管理，就可以方便管理這些組件的生命周期。希望在某某狀態(tài)事情發(fā)生之前之后做點(diǎn)什么？添加一個(gè)生命周期監(jiān)聽器即可優(yōu)雅實(shí)現(xiàn)。

JMX管理器

系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控及管理，服務(wù)器性能、服務(wù)器相關(guān)參數(shù)的收集、JVM負(fù)載、web連接數(shù)、線程池、數(shù)據(jù)庫(kù)連接池、緩存管理、配置文件重新加載等方面。可提供一些遠(yuǎn)程可視化管理，實(shí)時(shí)性高。同時(shí)也為分布式系統(tǒng)的管理提供了一個(gè)解決方案。

Web載入器

WebLoader用于加載web應(yīng)用項(xiàng)目，一個(gè)web容器可能包含了若干個(gè)web應(yīng)用。為了達(dá)到lib及servlet的隔離，對(duì)于每個(gè)web應(yīng)用要使用不同的類加載器ClassLoader，且這些類加載器不是父子關(guān)系，以此達(dá)到class隔離效果，即一個(gè)web應(yīng)用的lib不會(huì)被其他web應(yīng)用使用。

會(huì)話管理器

會(huì)話管理器主要對(duì)session進(jìn)行管理，包括：①生成sessionid，一般cookies或url未帶jsessionid值則認(rèn)為不存在會(huì)話，需要重新生成sessionid用作會(huì)話id。②很多客戶端的會(huì)話都保存在服務(wù)器中，對(duì)于超時(shí)的會(huì)話要定期清理以確保服務(wù)器內(nèi)存不會(huì)浪費(fèi)。③對(duì)于一些重要的會(huì)話可以持久化到磁盤，需要時(shí)可重新加載到內(nèi)存中使用。

運(yùn)行日志

對(duì)運(yùn)行時(shí)一些警告、異常、錯(cuò)誤進(jìn)行記錄。

訪問日志

訪問日志一般會(huì)記錄客戶端的訪問相關(guān)信息，包括客戶端ip、請(qǐng)求時(shí)間、請(qǐng)求協(xié)議、請(qǐng)求方法、請(qǐng)求字節(jié)數(shù)、響應(yīng)碼、會(huì)話id、處理時(shí)間等等。訪問日志可以統(tǒng)計(jì)訪問用戶的數(shù)量、訪問時(shí)間分布等規(guī)律及個(gè)人愛好等等，這些數(shù)據(jù)可以幫助公司在運(yùn)營(yíng)策略上做出抉擇。

安全管理器

Web項(xiàng)目運(yùn)行在web容器平臺(tái)上，這就好比將一個(gè)應(yīng)用嵌入到一個(gè)平臺(tái)上面運(yùn)行，要使嵌入的程序能正常運(yùn)行，首先平臺(tái)要能安全正常運(yùn)行。并且要最大程度做到平臺(tái)不受嵌入的應(yīng)用程序影響，兩者在一定程度上達(dá)到隔離的效果。啟動(dòng)時(shí)通過-Djava.security.manager -Djava.security.policy==web.policy指定policy文件，此文件定義了各種權(quán)限。

運(yùn)行監(jiān)控&遠(yuǎn)程管理

提供一個(gè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控web容器運(yùn)行狀態(tài)的平臺(tái)，并且能進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

集群

集群一般有兩種：①負(fù)載均衡集群，一般是通過一定的分發(fā)算法把訪問流量均勻分布到集群里面的各個(gè)機(jī)器上進(jìn)行處理。②高可用集群，集群通信把若干機(jī)器連接起來(lái)，這種集群更偏重的是當(dāng)集群中某個(gè)機(jī)器發(fā)生故障后能通過自動(dòng)切換或流量轉(zhuǎn)移等措施來(lái)保證整個(gè)集群對(duì)外的可用性。
web一般請(qǐng)求都是無(wú)狀態(tài)，可以直接做集群，但涉及session則屬于有狀態(tài)，需要使用集群通信技術(shù)進(jìn)行session拷貝。相關(guān)技術(shù)包括組播、單播。

Servlet引擎

servlet引擎利用反射把web應(yīng)用中的servlet及jsp生成對(duì)象并放入servlet對(duì)象池中，并根據(jù)實(shí)際調(diào)用相應(yīng)的方法。web應(yīng)用將業(yè)務(wù)邏輯處理都放在dopost或doget方法中，web容器處理請(qǐng)求時(shí)就會(huì)按照這里定義好的處理邏輯進(jìn)行處理，處理完響應(yīng)客戶端。

JSP編譯器

按照規(guī)范JSP最終都是被編譯成servlet執(zhí)行，所以要按照規(guī)范對(duì)jsp文件進(jìn)行編譯。JSP編譯器其實(shí)就是對(duì)jsp語(yǔ)法進(jìn)行翻譯，根據(jù)jsp語(yǔ)法處理。

一個(gè)web容器基本包含以上介紹的組件的功能，根據(jù)各個(gè)組件模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)即可搭建起一個(gè)可以讓你的web運(yùn)行起來(lái)的web容器。

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