Spring Boot整合Tomcat底层源码分析

引言

Spring Boot是一个用于快速构建基于Spring框架的应用程序的开源框架。它通过自动配置和起步依赖等特性，大大简化了Spring应用的开发和部署过程。本文将深入探讨Spring Boot的背景历史、业务场景、功能点以及底层原理，并通过Java代码手写模拟Spring Boot的启动过程，特别是其与Tomcat的整合。

一、Spring Boot的背景历史

1.1 Spring Boot的起源与发展

Spring Boot由Pivotal团队开发，最早于2014年发布。其目标是简化Spring应用的开发和部署，通过自动配置和起步依赖等特性，减少开发人员在配置文件上花费的时间和精力。

• 起源与早期发展（2013-2014年）：
  2013年，Spring Boot开始开发，2014年4月，Spring Boot 1.0.0正式发布，引入了核心特性如自动配置、起步依赖、命令行界面（CLI）等。
  
• 逐步成熟（2015-2017年）：
  2015年，Spring Boot 1.2和1.3版本相继发布，带来了更多的功能和改进。2016年，Spring Boot 1.4版本发布，进一步优化了性能和稳定性。2017年，Spring Boot 2.0发布，基于Spring Framework 5构建，支持Java 8及以上版本，并引入了响应式编程等新特性。
  
• 持续发展（2018年至今）：
  2018年及以后，Spring Boot不断进行小版本的更新和改进，以适应不断变化的技术需求。它在云原生应用开发、容器化部署、Serverless架构等方面发挥着重要作用。同时，Spring Boot的生态系统也在不断壮大，有越来越多的插件和工具可供选择。
  

1.2 Spring Boot的核心特点

Spring Boot的核心特点可以概括为以下几点：

• 约定大于配置：Spring Boot通过提供大量默认配置，减少了开发人员的配置工作量。
• 起步依赖：Spring Boot提供了一系列的起步依赖，方便快速引入所需的库和框架。
• 自动配置：Spring Boot能根据类路径中的依赖和环境自动配置Spring应用程序。
• 内嵌服务器：Spring Boot内置了Tomcat、Jetty或Undertow等服务器，应用可以直接运行在这些服务器上。
• 生产就绪：Spring Boot提供了一些生产环境中的监控、健康检查、日志管理等功能。

二、Spring Boot的业务场景与功能点

2.1 业务场景

Spring Boot适用于多种业务场景，包括但不限于：

• 微服务架构：Spring Boot适用于构建和部署微服务，可以快速创建独立的、可独立部署的微服务应用程序。
• RESTful API开发：Spring Boot提供了丰富的支持和简化开发RESTful API的工具和功能。
• Web应用程序开发：Spring Boot支持开发各种Web应用程序，如单页应用程序、多页应用程序、网站等。
• 批处理应用程序：Spring Boot提供了对批处理应用程序的支持，包括任务调度、处理大数据量、事务管理等。
• 数据访问：Spring Boot简化了与数据库和其他数据源的集成，通过自动配置和起步依赖简化了数据访问层的开发。
• 云原生应用程序：Spring Boot适用于构建和部署云原生应用程序，和容器化应用程序的开发和管理。

2.2 功能点

Spring Boot的功能点非常丰富，包括但不限于：

• 自动配置：根据classpath下的依赖和配置文件的内容，自动为应用程序进行配置。
• 起步依赖：提供了一系列的起步依赖，用于快速引入常见的第三方库和框架。
• 内嵌服务器：内置了Tomcat、Jetty、Undertow等多个服务器，开发者可以将应用程序打包成可执行的JAR或WAR文件，直接运行。
• 监控和管理：提供了一些监控和管理的工具，可以帮助开发人员实时监控和管理应用程序的运行状态。
• 外部化配置：支持外部化配置，可以通过配置文件、环境变量等方式灵活地配置应用程序。
• 数据访问：简化了与数据库和其他数据源的集成，通过自动配置和起步依赖简化了数据访问层的开发。

三、Spring Boot整合Tomcat的底层原理

3.1 Spring Boot与Tomcat的整合方式

Spring Boot可以通过以下两种方式整合Tomcat：

• 使用内置Tomcat：Spring Boot默认内置了Tomcat服务器，在开发和生产环境中可以直接使用。打包时，将Tomcat与项目代码一起打包成一个可执行的jar文件，然后通过命令直接运行该jar文件来启动服务器。
• 使用外置Tomcat：将Spring Boot项目打包为war并部署到传统的Tomcat服务器中。

3.2 底层源码分析

3.2.1 配置Tomcat

在Spring Boot中，可以通过在配置文件中配置端口号、上下文路径、Session超时时间等来定制内嵌Tomcat服务器的配置。例如，在application.properties或application.yml文件中进行如下配置：

properties复制代码
server.port=8080
server.servlet.context-path=/myapp
server.servlet.session.timeout=30m

在Spring Boot的源码中，这些配置会被读取并应用到Tomcat服务器实例上。具体来说，TomcatEmbeddedServletContainerFactory类负责创建和配置Tomcat服务器实例。

3.2.2 加载Servlet

在Spring Boot中，可以使用@ServletComponentScan注解来加载Servlet、Filter和Listener。在应用启动时，Spring Boot会自动扫描@ServletComponentScan注解指定的包，查找并注册Servlet、Filter和Listener。

例如，定义一个Servlet：

java复制代码
@WebServlet(urlPatterns = "/myservlet")
public class MyServlet extends HttpServlet {
// Servlet实现
}

在Spring Boot的源码中，ServletRegistrationBean、FilterRegistrationBean和ServletContextInitializer等类负责将Servlet、Filter和Listener注册到Tomcat中。

3.2.3 实现Tomcat的自动配置

Spring Boot提供了一个名为EmbeddedServletContainerAutoConfiguration的自动配置类，它根据应用中所包含的类库和配置信息来自动配置内嵌的Servlet容器。具体来说，该类会检查类路径中是否存在Tomcat、Jetty或Undertow等服务器的依赖，并根据存在的依赖自动配置相应的Servlet容器。

在自动配置过程中，Spring Boot会扫描应用中所有的Servlet、Filter和Listener，然后根据这些组件的注解信息生成对应的ServletRegistrationBean、FilterRegistrationBean和ServletContextInitializer对象，最终将这些组件注册到Tomcat中。

3.2.4 启动Tomcat

在Spring Boot中，可以使用SpringApplication类来启动Tomcat。在SpringApplication的run方法中，会创建并启动Tomcat服务器实例。

具体来说，SpringApplication会执行以下步骤来启动Tomcat：

1. 创建Spring应用上下文：SpringApplication会创建一个AnnotationConfigServletWebServerApplicationContext实例，作为Spring应用上下文。
2. 加载自动配置类：SpringApplication会加载EmbeddedServletContainerAutoConfiguration等自动配置类，并根据这些配置类来配置Spring应用。
3. 注册Servlet组件：SpringApplication会扫描应用中的Servlet、Filter和Listener，并将它们注册到Tomcat中。
4. 启动Tomcat服务器：最后，SpringApplication会将配置好的Tomcat服务器实例启动起来，并开始处理HTTP请求。

四、手写模拟Spring Boot启动过程

下面我们通过Java代码手写模拟Spring Boot的启动过程，特别是其与Tomcat的整合。

4.1 创建一个Spring Boot项目

首先，我们创建一个标准的Spring Boot项目结构，包括src/main/java、src/main/resources等目录。

4.2 定义启动类

在src/main/java目录下，定义一个启动类，并使用@SpringBootApplication注解标记：

java复制代码
package com.example.demo;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
@SpringBootApplication
public class DemoApplication {
public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
    }
}

4.3 配置Tomcat

在src/main/resources目录下的application.properties文件中，配置Tomcat的相关属性：

properties复制代码
server.port=8080
server.servlet.context-path=/myapp
server.servlet.session.timeout=30m

4.4 定义Servlet

在src/main/java目录下，定义一个Servlet类：

java复制代码
package com.example.demo.servlet;
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.annotation.WebServlet;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.IOException;
@WebServlet(urlPatterns = "/hello")
public class HelloServlet extends HttpServlet {
@Override
protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        resp.getWriter().write("Hello, Spring Boot with Tomcat!");
    }
}

4.5 模拟Spring Boot启动过程

接下来，我们手写模拟Spring Boot的启动过程。首先，我们需要创建一个自定义的SpringApplication类，并在其中实现Tomcat的启动逻辑。

4.5.1 创建自定义SpringApplication类

在src/main/java目录下，创建一个自定义的SpringApplication类：

java复制代码
package com.example.demo;
import org.apache.catalina.LifecycleException;
import org.apache.catalina.startup.Tomcat;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.context.annotation.ComponentScan;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
@Configuration
@ComponentScan(basePackages = "com.example.demo")
public class CustomSpringApplication {
public static void main(String[] args) throws LifecycleException {
// 创建Tomcat实例
Tomcat tomcat = new Tomcat();
        tomcat.setPort(8080); // 设置端口号
        tomcat.setContextPath("/myapp"); // 设置上下文路径
        tomcat.setSessionTimeout(30); // 设置Session超时时间
// 添加Web应用
        tomcat.addWebapp("/", System.getProperty("user.dir") + "/src/main/webapp");
// 启动Tomcat服务器
        tomcat.start();
        tomcat.getServer().await();
    }
}

4.5.2 创建Web应用目录

在src/main/webapp目录下，创建一个WEB-INF目录，并在其中创建一个web.xml文件（虽然Spring Boot通常不需要web.xml，但为了模拟传统Web应用的部署方式，我们在这里创建一个）。

web.xml文件内容如下：

xml复制代码
<!DOCTYPE web-app PUBLIC "-//Sun Microsystems, Inc.//DTD Web Application 2.3//EN" "http://java.sun.com/dtd/web-app_2_3.dtd">
<web-app>
<servlet>
<servlet-name>helloServlet</servlet-name>
<servlet-class>com.example.demo.servlet.HelloServlet</servlet-class>
</servlet>
<servlet-mapping>
<servlet-name>helloServlet</servlet-name>
<url-pattern>/hello</url-pattern>
</servlet-mapping>
</web-app>

4.6 运行模拟的Spring Boot应用

现在，我们可以运行CustomSpringApplication类的main方法来启动模拟的Spring Boot应用。启动后，访问http://localhost:8080/myapp/hello，应该能够看到“Hello, Spring Boot with Tomcat!”的响应。

五、总结

本文通过深入探讨Spring Boot的背景历史、业务场景、功能点以及底层原理，特别是其与Tomcat的整合方式，展示了Spring Boot的强大功能和灵活性。同时，通过手写模拟Spring Boot的启动过程，进一步加深了对Spring Boot内部工作机制的理解。希望本文能为读者在使用Spring Boot进行开发时提供有益的参考和帮助。