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Tomcat实现热部署、热加载原理解析

Tomcat 应用 部署 容器 Web 线程 原理
2023-04-18 13:15:56 时间

想实现不重启系统，而在系统运行过程中升级Web应用，有两种方案：

  • 热加载
  • 热部署

实现原理

跟类加载机制有关。

热加载

实现方式是Web容器启动一个后台线程，定期检测类文件变化。 若有变化，就重新加载类，在这个过程中不会清空Session ，一般用在开发环境。

热部署

类似地，也由后台线程定时检测Web应用变化，但它会重新加载整个Web应用。这会清空Session，比热加载更干净、彻底，一般用在生产环境。

Tomcat实现热加载、热部署

Tomcat通过开启后台线程，使得各个层次的容器组件都有机会完成一些周期性任务。

实际开发往往也需要执行一些周期性任务，比如监控程序周期性拉取系统健康状态。

Tomcat后台线程

开启后台线程做周期性任务，最常见的就是线程池的ScheduledThreadPoolExecutor，没错，Tomcat就是通过它来开启后台线程：

backgroundProcessorFuture = Container.getService(this).getServer().getUtilityExecutor()
			               .scheduleWithFixedDelay(
			                // 要周期性执行的Runnable
			                new ContainerBackgroundProcessor(),
			                //第一次执行延迟多久
			                backgroundProcessorDelay,
			                // 之后每次执行间隔多久
			                backgroundProcessorDelay,
			                // 时间单位
			                TimeUnit.SECONDS);

任务类ContainerBackgroundProcessor是ContainerBase的内部类，ContainerBase是所有容器组件的基类。

ContainerBackgroundProcessor

protected class ContainerBackgroundProcessor implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        // 入参"宿主类"实例
        processChildren(ContainerBase.this);
    }

    protected void processChildren(Container container) {
        try {
            // 1. 调用当前容器的backgroundProcess
            container.backgroundProcess();
            
            // 2. 遍历所有子容器，递归调用processChildren
            // 这样当前容器的子孙都会被处理            
            Container[] children = container.findChildren();
            for (int i = 0; i < children.length; i++) {
	            // 容器基类有个变量叫做backgroundProcessorDelay
	            // 如果大于0，表明子容器有自己的后台线程
	            // 无需父容器来调用它的processChildren方法
                if (children[i].getBackgroundProcessorDelay() <= 0) {
                    processChildren(children[i]);
                }
            }
        } catch (Throwable t) { ... }

processChildren把“宿主类”，即ContainerBase的类实例当成参数传给了run方法。

而在processChildren方法里，就做了两步：调用当前容器的backgroundProcess方法，以及递归调用子孙的backgroundProcess方法。请你注意backgroundProcess是Container接口中的方法，也就是说所有类型的容器都可以实现这个方法，在这个方法里完成需要周期性执行的任务。

这样只需在顶层容器Engine中启动一个后台线程，则该线程不但会执行Engine容器的周期性任务，还会执行所有子容器的周期性任务。

backgroundProcess方法

上述代码都是在基类ContainerBase实现，具体容器类需要做什么呢？

  • 若有周期性任务，就实现backgroundProcess
  • 若没有，则复用基类ContainerBase的方法

ContainerBase#backgroundProcess

public void backgroundProcess() {

    // 1.执行容器中Cluster组件的周期性任务
    Cluster cluster = getClusterInternal();
    if (cluster != null) {
        cluster.backgroundProcess();
    }
    
    // 2.执行容器中Realm组件的周期性任务
    Realm realm = getRealmInternal();
    if (realm != null) {
        realm.backgroundProcess();
   }
   
   // 3.执行容器中Valve组件的周期性任务
    Valve current = pipeline.getFirst();
    while (current != null) {
       current.backgroundProcess();
       current = current.getNext();
    }
    
    // 4. 触发容器的"周期事件"，Host容器的监听器HostConfig就靠它来调用
    fireLifecycleEvent(Lifecycle.PERIODIC_EVENT, null);
}

不仅每个容器可以有周期性任务，每个容器中的其他通用组件，比如跟集群管理有关的Cluster组件、跟安全管理有关的Realm组件都可以有自己的周期性任务。

容器之间的链式调用是通过Pipeline-Valve机制实现的，容器中的Valve也可以有周期性任务，并且被ContainerBase统一处理。

在backgroundProcess方法的最后，还触发了容器的“周期事件”。“周期事件”是什么呢？ 它跟生命周期事件一样，是一种扩展机制，可以这样理解： 又一段时间过去了，容器还活着，你想做点什么吗？ 如果你想做点什么，就创建一个监听器来监听这个“周期事件”，事件到了我负责调用你的方法。

总之，有了ContainerBase中的后台线程和backgroundProcess方法，各种子容器和通用组件不需要各自弄一个后台线程来处理周期性任务。

Tomcat热加载

有了ContainerBase的周期性任务处理“框架”，具体容器子类只需实现自己的周期性任务。 Tomcat的热加载，就实现在Context容器。

Context#backgroundProcess

StandardContext实现类中：

@Override
public void backgroundProcess() {

    if (!getState().isAvailable())
        return;

    // WebappLoader周期性检查
    // WEB-INF/classes、WEB-INF/lib 目录下的类文件是否有更新
    Loader loader = getLoader();
    if (loader != null) {
        loader.backgroundProcess();        
    }
    
    // Session管理器周期性检查是否有Session过期
    Manager manager = getManager();
    if (manager != null) {
        manager.backgroundProcess();
    }
    
    // 周期性检查静态资源是否有更新
    WebResourceRoot resources = getResources();
    if (resources != null) {
        resources.backgroundProcess();
    }
    super.backgroundProcess();
}

WebappLoader是如何实现热加载的呢？ 关键是调用Context#reload方法：

  • 停止和销毁Context容器及其所有子容器（Wrapper），即Wrapper里的Servlet实例也被销毁
  • 停止和销毁Context容器关联的Listener和Filter
  • 停止和销毁Context下的Pipeline和各种Valve
  • 停止和销毁Context的类加载器，以及类加载器加载的类文件资源

启动Context容器，在这个过程中会重新创建前面四步被销毁的资源。 在这个过程中，类加载器发挥着关键作用。一个Context容器对应一个类加载器，类加载器在销毁的过程中会把它加载的所有类也全部销毁。Context容器在启动过程中，会创建一个新的类加载器来加载新的类文件。

在Context的reload方法里，并没有调用Session管理器的destroy方法，也就是说这个Context关联的Session是没有销毁的。

Tomcat热加载默认是关闭的，需在conf目录下的context.xml文件中设置reloadable参数开启：

<Context reloadable="true"/>

Tomcat热部署

跟热加载的本质区别是： 热部署会重新部署Web应用，原Context对象会被整个被销毁，因此该Context所关联一切资源都会被销毁，包括Session。

Tomcat热部署由哪个容器实现呢？ 不是由Context，因为热部署过程中Context容器被销毁了，所以就是Host，Context的父容器。

Host容器并未在backgroundProcess中实现周期性检测，而是通过监听器HostConfig实现。 HostConfig就是前面提到的“周期事件”的监听器，“周期事件”达到时，HostConfig会做什么呢？

public void lifecycleEvent(LifecycleEvent event) {
    // 执行check
    if (event.getType().equals(Lifecycle.PERIODIC_EVENT)) {
        check();
    } 
}
protected void check() {

    if (host.getAutoDeploy()) {
        // 检查这个Host下所有已经部署的Web应用
        DeployedApplication[] apps =
            deployed.values().toArray(new DeployedApplication[0]);
            
        for (int i = 0; i < apps.length; i++) {
            //检查Web应用目录是否有变化
            checkResources(apps[i], false);
        }

        // 执行部署
        deployApps();
    }
}

HostConfig会检查webapps目录下的所有Web应用：

  • 如果原来Web应用目录被删掉了，就把相应Context容器整个销毁掉
  • 是否有新的Web应用目录放进来了，或者有新的WAR包放进来了，就部署相应的Web应用

因此HostConfig做的事情都是比较“宏观”的，它不会去检查具体类文件或者资源文件是否有变化，而是检查Web应用目录级别变化。

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