启动流程
我们可以通过 Tomcat 的 /bin 目录下的脚本 startup.sh 来启动 Tomcat，那你是否知道我们执行了这个脚本后发生了什么呢？你可以通过下面这张流程图来了解一下。
1.Tomcat 本质上是一个 Java 程序，因此 startup.sh 脚本会启动一个 JVM 来运行 Tomcat 的启动类 Bootstrap。
2.Bootstrap 的主要任务是初始化 Tomcat 的类加载器，并且创建 Catalina。关于 Tomcat 为什么需要自己的类加载器，我会在专栏后面详细介绍。
3.Catalina 是一个启动类，它通过解析 server.xml、创建相应的组件，并调用 Server 的 start 方法。
4.Server 组件的职责就是管理 Service 组件，它会负责调用 Service 的 start 方法。
5.Service 组件的职责就是管理连接器和顶层容器 Engine，因此它会调用连接器和 Engine 的 start 方法。
这样 Tomcat 的启动就算完成了。
你可以把 Bootstrap 看作是上帝，它初始化了类加载器，也就是创造万物的工具。
如果我们把 Tomcat 比作是一家公司，那么 Catalina 应该是公司创始人，因为 Catalina 负责组建团队，也就是创建 Server 以及它的子组件。
Server 是公司的 CEO，负责管理多个事业群，每个事业群就是一个 Service。
Service 是事业群总经理，它管理两个职能部门：一个是对外的市场部，也就是连接器组件；另一个是对内的研发部，也就是容器组件。
Engine 则是研发部经理，因为 Engine 是最顶层的容器组件。
你可以看到这些启动类或者组件不处理具体请求，它们的任务主要是“管理”，管理下层组件的生命周期，并且给下层组件分配任务，也就是把请求路由到负责“干活儿”的组件。因此我把它们比作 Tomcat 的“高层”。
我们就来看看这些“高层”的实现细节，目的是让我们逐步理解 Tomcat 的工作原理。另一方面，软件系统中往往都有一些起管理作用的组件，你可以学习和借鉴 Tomcat 是如何实现这些组件的。
Catalina
Catalina 的主要任务就是创建 Server，它不是直接 new 一个 Server 实例就完事了，而是需要解析 server.xml，把在 server.xml 里配置的各种组件一一创建出来，接着调用 Server 组件的 init 方法和 start 方法，这样整个 Tomcat 就启动起来了。
作为“管理者”，Catalina 还需要处理各种“异常”情况，比如当我们通过“Ctrl + C”关闭 Tomcat 时，Tomcat 将如何优雅的停止并且清理资源呢？因此 Catalina 在 JVM 中注册一个“关闭钩子”。
public void start() { //1. 如果持有的 Server 实例为空，就解析 server.xml 创建出来 if (getServer() == null) { load(); } //2. 如果创建失败，报错退出 if (getServer() == null) { log.fatal(sm.getString("catalina.noServer")); return; } //3. 启动 Server try { getServer().start(); } catch (LifecycleException e) { return; } // 创建并注册关闭钩子 if (useShutdownHook) { if (shutdownHook == null) { shutdownHook = new CatalinaShutdownHook(); } Runtime.getRuntime().addShutdownHook(shutdownHook); } // 用 await 方法监听停止请求 if (await) { await(); stop(); } }
那什么是“关闭钩子”，它又是做什么的呢？如果我们需要在 JVM 关闭时做一些清理工作，比如将缓存数据刷到磁盘上，或者清理一些临时文件，可以向 JVM 注册一个“关闭钩子”。
“关闭钩子”其实就是一个线程，JVM 在停止之前会尝试执行这个线程的 run 方法。下面我们来看看 Tomcat 的“关闭钩子”
CatalinaShutdownHook 做了些什么。protected class CatalinaShutdownHook extends Thread { @Override public void run() { try { if (getServer() != null) { Catalina.this.stop(); } } catch (Throwable ex) { ... } } }
从这段代码中你可以看到，Tomcat 的“关闭钩子”实际上就执行了 Server 的 stop 方法，Server 的 stop 方法会释放和清理所有的资源。
Server 组件
Server 组件的具体实现类是 StandardServer，我们来看下 StandardServer 具体实现了哪些功能。
Server 继承了 LifeCycleBase，它的生命周期被统一管理，并且它的子组件是 Service，因此它还需要管理 Service 的生命周期，也就是说在启动时调用 Service 组件的启动方法，在停止时调用它们的停止方法。
Server 在内部维护了若干 Service 组件，它是以数组来保存的，那 Server 是如何添加一个 Service 到数组中的呢？
@Override public void addService(Service service) { service.setServer(this); synchronized (servicesLock) { // 创建一个长度 +1 的新数组 Service results[] = new Service[services.length + 1]; // 将老的数据复制过去 System.arraycopy(services, 0, results, 0, services.length); results[services.length] = service; services = results; // 启动 Service 组件 if (getState().isAvailable()) { try { service.start(); } catch (LifecycleException e) { // Ignore } } // 触发监听事件 support.firePropertyChange("service", null, service); } }
从上面的代码你能看到，它并没有一开始就分配一个很长的数组，而是在添加的过程中动态地扩展数组长度，当添加一个新的 Service 实例时，会创建一个新数组并把原来数组内容复制到新数组，这样做的目的其实是为了节省内存空间。
除此之外，Server 组件还有一个重要的任务是启动一个 Socket 来监听停止端口，这就是为什么你能通过 shutdown 命令来关闭 Tomcat。不知道你留意到没有，上面 Caralina 的启动方法的最后一行代码就是调用了 Server 的 await 方法。
在 await 方法里会创建一个 Socket 监听 8005 端口，并在一个死循环里接收 Socket 上的连接请求，如果有新的连接到来就建立连接，然后从 Socket 中读取数据；如果读到的数据是停止命令“SHUTDOWN”，就退出循环，进入 stop 流程。
Service 组件
Service 组件的具体实现类是 StandardService，我们先来看看它的定义以及关键的成员变量。
ublic class StandardService extends LifecycleBase implements Service { // 名字 private String name = null; //Server 实例 private Server server = null; // 连接器数组 protected Connector connectors[] = new Connector[0]; private final Object connectorsLock = new Object(); // 对应的 Engine 容器 private Engine engine = null; // 映射器及其监听器 protected final Mapper mapper = new Mapper(); protected final MapperListener mapperListener = new MapperListener(this);
StandardService 继承了 LifecycleBase 抽象类，此外 StandardService 中还有一些我们熟悉的组件，比如 Server、Connector、Engine 和 Mapper。
那为什么还有一个 MapperListener？这是因为 Tomcat 支持热部署，当 Web 应用的部署发生变化时，Mapper 中的映射信息也要跟着变化，MapperListener 就是一个监听器，它监听容器的变化，并把信息更新到 Mapper 中，这是典型的观察者模式。
作为“管理”角色的组件，最重要的是维护其他组件的生命周期。此外在启动各种组件时，要注意它们的依赖关系，也就是说，要注意启动的顺序。我们来看看 Service 启动方法：
protected void startInternal() throws LifecycleException { //1. 触发启动监听器 setState(LifecycleState.STARTING); //2. 先启动 Engine，Engine 会启动它子容器 if (engine != null) { synchronized (engine) { engine.start(); } } //3. 再启动 Mapper 监听器 mapperListener.start(); //4. 最后启动连接器，连接器会启动它子组件，比如 Endpoint synchronized (connectorsLock) { for (Connector connector: connectors) { if (connector.getState() != LifecycleState.FAILED) { connector.start(); } } } }
从启动方法可以看到，Service 先启动了 Engine 组件，再启动 Mapper 监听器，最后才是启动连接器。
这很好理解，因为内层组件启动好了才能对外提供服务，才能启动外层的连接器组件。而 Mapper 也依赖容器组件，容器组件启动好了才能监听它们的变化，因此 Mapper 和 MapperListener 在容器组件之后启动。
组件停止的顺序跟启动顺序正好相反的，也是基于它们的依赖关系。
Engine 组件
最后我们再来看看顶层的容器组件 Engine 具体是如何实现的。Engine 本质是一个容器，因此它继承了 ContainerBase 基类，并且实现了 Engine 接口。
public class StandardEngine extends ContainerBase implements Engine { }
我们知道，Engine 的子容器是 Host，所以它持有了一个 Host 容器的数组，这些功能都被抽象到了 ContainerBase 中，ContainerBase 中有这样一个数据结构：
protected final HashMap<String, Container> children = new HashMap<>();
ContainerBase 用 HashMap 保存了它的子容器，并且 ContainerBase 还实现了子容器的“增删改查”，甚至连子组件的启动和停止都提供了默认实现，比如 ContainerBase 会用专门的线程池来启动子容器。
for (int i = 0; i < children.length; i++) { results.add(startStopExecutor.submit(new StartChild(children[i]))); }
所以 Engine 在启动 Host 子容器时就直接重用了这个方法。
那 Engine 自己做了什么呢？我们知道容器组件最重要的功能是处理请求，而 Engine 容器对请求的“处理”，其实就是把请求转发给某一个 Host 子容器来处理，具体是通过 Valve 来实现的。
每一个容器组件都有一个 Pipeline，而 Pipeline 中有一个基础阀（Basic Valve），而 Engine 容器的基础阀定义如下：
final class StandardEngineValve extends ValveBase { public final void invoke(Request request, Response response) throws IOException, ServletException { // 拿到请求中的 Host 容器 Host host = request.getHost(); if (host == null) { return; } // 调用 Host 容器中的 Pipeline 中的第一个 Valve host.getPipeline().getFirst().invoke(request, response); } }
这个基础阀实现非常简单，就是把请求转发到 Host 容器。
你可能好奇，从代码中可以看到，处理请求的 Host 容器对象是从请求中拿到的，请求对象中怎么会有 Host 容器呢？
这是因为请求到达 Engine 容器中之前，Mapper 组件已经对请求进行了路由处理，Mapper 组件通过请求的 URL 定位了相应的容器，并且把容器对象保存到了请求对象中。
当我们在设计这样的组件时，需要考虑两个方面：
首先要选用合适的数据结构来保存子组件，比如 Server 用数组来保存 Service 组件，并且采取动态扩容的方式，这是因为数组结构简单，占用内存小；再比如 ContainerBase 用 HashMap 来保存子容器，虽然 Map 占用内存会多一点，但是可以通过 Map 来快速的查找子容器。因此在实际的工作中，我们也需要根据具体的场景和需求来选用合适的数据结构。
其次还需要根据子组件依赖关系来决定它们的启动和停止顺序，以及如何优雅的停止，防止异常情况下的资源泄漏。这正是“管理者”应该考虑的事情。