S01-01 Servlet-Tomcat

[TOC]

概述

概念定义

~~Apache Tomcat~~ 是由 Apache 软件基金会（ASF）主导维护的开源 Web 服务器与 Java Servlet 容器。它完全使用 Java 语言开发，实现了 Java EE / Jakarta EE 的核心 Web 规范，是将动态 Java 业务代码转化为 Web 服务的核心基础设施。

~~核心定位~~：在 Web 系统架构中，不同服务器软件承担着差异化的职责：

Web 服务器：如 Nginx，专长于静态文件分发、网络反向代理及高并发连接调度，无法直接解析 Java 业务逻辑。
Servlet 容器：如 Tomcat，具备基础 HTTP 通信能力，核心价值在于提供 Java 组件运行环境，管理组件生命周期并桥接网络与代码。
全功能应用服务器：如 WebLogic、WildFly，完整实现 EJB、JMS、JTA 等全套企业级规范，属于重量级平台。

服务器类型	典型代表	核心优势	业务场景
Web 服务器	Nginx, Apache HTTPD	高并发连接、静态资源加速、负载均衡	反向代理、流量网关
Servlet 容器	Apache Tomcat, Jetty	轻量、灵活、专注 Web 核心规范	动态 Java Web 应用
全功能应用服务器	WebLogic, WildFly	完整支持全套企业级 Java EE 规范	重型企业级传统系统

~~Tomcat 专注于 Web 相关规范的实现~~，主要涵盖以下四项技术标准：

Servlet 规范：定义处理 HTTP 请求和返回响应的核心 Java 接口与抽象类。
JSP（JavaServer Pages）规范（过时）：支持在 HTML 中嵌入 Java 脚本，Tomcat 内部集成了 Jasper 引擎负责将页面编译为 Servlet 类。
EL（Expression Language）表达式（过时）：提供在视图模板中简洁访问后台数据的语法支持。
WebSocket 规范：提供低延迟、双向全双工的长连接通信机制。

~~核心功能~~：Tomcat 在系统运行过程中主要承担四大底层能力：

通信协议解析：监听指定端口，接收客户端 TCP 连接并高效解包 HTTP 报文。
生命周期管理：负责 Servlet 实例的创建、初始化、请求调用与销毁回收。
会话状态追踪：维护客户端与服务端的 Session 状态，支持 Cookie 注入与 URL 路径重写。

安全隔离机制：通过独立的类加载器体系隔离不同 Web 应用，避免类版本冲突。

java

// 容器在应用启动时负责初始化组件并注入配置
// 在服务停止或卸载应用时负责释放系统资源
public class LifeCycleServlet extends GenericServlet {
  @Override
  public void init(ServletConfig config) {
    // 执行初始化参数加载
  }

  @Override
  public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) {
    // 执行核心请求分发
  }

  @Override
  public void destroy() {
    // 执行资源回收与断开连接
  }
}

权限体系【靠后】

Tomcat 内置了 Realm（安全领域）认证机制，支持将用户权限数据与外部关系型数据库对接（如 JDBCRealm）。在验证客户端权限时，容器自动执行预设的 SQL 语句以核对凭据：

sql

SELECT user_name, role_name
  FROM tomcat_realm_roles
  WHERE user_name = 'admin'
  GROUP BY user_name, role_name;

版本演进

Tomcat 的大版本与 Java 运行时及规范版本保持严格对应：

Tomcat 8.5 / 9.0：运行于 Java 8 及以上，基于 Servlet 3.1 / 4.0 规范，包命名空间使用 javax.servlet。
Tomcat 10.0 / 10.1：运行于 Java 11 / 17 及以上，基于 Servlet 5.0 / 6.0 规范，因 Java EE 移交 Eclipse 基金会，包命名空间全面更名迁移为 jakarta.servlet。
Tomcat 11.0：适配 Java 21 及以上版本，支持 Servlet 6.1 规范及 JVM 虚拟线程（Virtual Threads）特性。

应用形态

在工程实践中，Tomcat 主要呈现~~两种部署形态~~：

独立运行模式（Standalone）：独立安装运行 Tomcat 服务进程，将编译好的 WAR 包投递至 webapps 目录，适合多应用在传统物理机或虚拟机的统一管理。
内嵌运行模式（Embedded）：以 Maven/Gradle 依赖形式将 Tomcat 库引入项目中（如 Spring Boot 默认模式），由应用自身通过 main 方法启动内嵌实例，是当前云原生与微服务架构的主流方案。

实现 MyTomcat

~~实现思路~~：服务端基于 Java 标准库的阻塞 I/O（BIO）模式运行。服务端绑定端口后持续阻塞等待客户端接入，获取网络套接字后建立输入输出流管道。

标准的交互处理遵循以下物理流程：

服务端创建 ServerSocket 并绑定本地监听端口。
调用 accept() 阻塞当前执行线程，等待客户端发起 TCP 握手。
连接建立后，生成独立的 Socket 实例。
从 Socket 中分离出 InputStream 和 OutputStream 分别转交业务层读写。
交互结束后关闭流与套接字，等待下一次连接接入。

~~代码实现~~：

java

package p01_mytomcat;

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * 实现简单的 Tomcat
 */
public class MyTomcat {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);

    while (!serverSocket.isClosed()) {
      System.out.println("Socket is running at 8080...");
      Socket socket = serverSocket.accept();

      // 1. 读取请求报文
      InputStream in = socket.getInputStream();
      BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
      String line;
      while ((line = br.readLine()) != null && !line.isEmpty()) {
        System.out.println(line);
      }

      // 2. 添加 HTTP/1.1 响应头和内容
      BufferedReader bufferedReader =
        	new BufferedReader(new FileReader("C01_Tomcat/src/p01_mytomcat/hello.html"));
      String buf = "";
      String line2;
      while ((line2 = bufferedReader.readLine()) != null) {
        buf += line2 + "\n";
      }
      byte[] body = buf.getBytes();
      String head = """
        HTTP/1.1 200 OK
        Content-Type: text/html;charset=utf-8
          Content-Length: %d
            Content:close

              """.formatted(body.length);

      // 3. 写入响应
      OutputStream out = socket.getOutputStream();
      out.write(head.getBytes());
      out.write(body);
      out.flush();

      socket.shutdownOutput();
      socket.close();
    }
    serverSocket.close();
  }
}

~~运行验证~~：

测试上述实现的步骤如下：

编译并运行 MyTomcat 类中的 main 方法，控制台输出 Socket is running at 8080...。
打开任意浏览器，访问地址：http://localhost:8080，页面正常展示 hello,this is tomcat server。
访问未配置的路径：http://localhost:8080/other，页面返回 404 Not Found。

网络请求服务器时序图

安装与部署

环境准备

Tomcat 的核心是用 Java 编写的 Servlet 容器，运行依赖底层的 Java 运行环境（JRE / JDK）。在安装前必须确保 JDK 版本与 Tomcat 版本严格对应。

Tomcat 版本	最低 JDK 版本	推荐生产 JDK	核心规范支持
Tomcat 8.5	Java 7	Java 8	Servlet 3.1, JSP 2.3
Tomcat 9.0	Java 8	Java 8 / 11	Servlet 4.0, JSP 2.3
Tomcat 10.1	Java 11	Java 17 / 21	Jakarta Servlet 6.0
Tomcat 11.0	Java 17	Java 21	Jakarta Servlet 6.1

在终端输入以下命令，确认已安装合适版本的 JDK：

bash

java -version

下载安装

生产环境与开发环境优先推荐免安装的二进制压缩包（Core 归档包），便于跨环境迁移与定制配置。

获取安装包：访问 Apache Tomcat 官方网站，在 Download 模块下载对应版本的压缩包（Windows 下载 .zip，Linux / macOS 下载 tar.gz）。
解压目标路径：将压缩包解压至不含空格和中文字符的系统路径下，如 Linux 的 /opt/tomcat 或 Windows 的 D:\develop\apache-tomcat。
设置文件权限：在 Linux / macOS 系统下，必须为 bin 目录下的 Shell 脚本赋予执行权限：
bash
```
chmod +x /opt/tomcat/bin/*.sh
```
1

环境变量

为使系统进程和构建工具（如 Maven、Gradle）正确定位运行环境，需要~~配置系统环境变量~~：

JAVA_HOME：指向 JDK 的主根目录。Tomcat 启动脚本启动时会通过此变量查找 bin/java。
CATALINA_HOME：指向 Tomcat 的安装根目录。
PATH：将 %CATALINA_HOME%\bin（Windows）或 $CATALINA_HOME/bin（Linux）加入环境变量，方便全局调用脚本。

Windows 配置示例：

变量名：CATALINA_HOME
变量值：D:\develop\apache-tomcat-10.1.x

Linux 在 /etc/profile 或 ~/.bashrc 中追加：

bash

export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-17-openjdk
export CATALINA_HOME=/opt/tomcat
export PATH=$PATH:$CATALINA_HOME/bin

执行 source /etc/profile 即可生效。

目录结构

解压 Tomcat 安装包后，根目录下的各子目录承载着不同的系统功能：

bin：存放可执行脚本，如启动脚本 startup.sh / startup.bat 和停止脚本 shutdown.sh / shutdown.bat。
conf：核心配置文件目录，包含服务拓扑配置 server.xml、全局 Web 配置 web.xml 以及权限配置 tomcat-users.xml。
lib：Tomcat 运行时及所有 Web 应用共享的 Jar 包依赖，包括 Servlet API 与 JSP API 的实现。
logs：运行日志存放地，常见日志包括引擎主日志 catalina.out 和访问日志 localhost_access_log。
webapps：默认的 Web 应用部署目录，支持 WAR 包解压和散装目录部署。
work：Tomcat 工作缓存目录，JSP 页面在被首次访问时翻译生成的 .java 源文件和编译后的 .class 文件均存储在此。
temp：存放 JVM 运行期间产生的临时文件。

启停验证

Tomcat 的生命周期由 bin 目录下的可执行脚本统一调度。

执行启动脚本：
方式一：startup
- Windows 环境：双击或在命令行运行 bin/startup.bat。
- Linux / macOS 环境：在控制台运行 ./bin/startup.sh。
方式二：catalina
在命令行中执行以下命令：
sh
```
catalina run
```
1
排查控制台乱码：Windows 下命令提示符控制台使用 GBK 编码，若日志出现乱码，需打开 conf/logging.properties，将控制台输出编码由 UTF-8 改为 GBK：
properties
```
java.util.logging.ConsoleHandler.encoding = GBK
```
1
浏览器验证服务：打开浏览器，访问 http://localhost:8080。若页面展示 Apache Tomcat 默认欢迎页面，说明服务初始化成功。
安全停止服务：切勿强制击杀进程（Kill -9），应在控制台运行 bin/shutdown.bat 或 ./bin/shutdown.sh，使容器依次注销 Servlet 并释放连接池资源。Tomcat 会在 8009 端口监听shutdown命令。

部署方式

将打包好的 Web 应用交付给 Tomcat 时，业界通用以下~~三种部署方式~~：

方式1：静态目录/WAR 包直接部署

这是最传统的部署途径。将编译打包生成的 .war 文件或散装项目文件夹直接移动至 webapps/ 目录下。Tomcat 在运行状态下会自动扫描、解压并将其挂载为上下文（Context），访问路径默认为文件名（如 webapps/my-app.war 对应访问路径 http://localhost:8080/my-app/）。

方式2：描述符文件外置部署

该方式支持将应用程序部署在物理磁盘的任意路径，无需移动文件：

进入 Tomcat 的 conf/Catalina/localhost/ 目录（若不存在则手动新建）。
新建独立 XML 文件，文件名即为访问路径（如 order.xml）。

文件中写入指向实际物理工程的描述信息：

xml

<Context docBase="/data/deploy/order-system" reloadable="false" />

访问 http://localhost:8080/order 即可访问 /data/deploy/order-system 目录下的系统。

方式3：主配置文件虚拟路径映射

直接编辑 conf/server.xml，在 <Host> 节点内新增 <Context> 子标签：

xml

<Host name="localhost" appBase="webapps" unpackWARs="true" autoDeploy="true">
  <Context path="/crm" docBase="D:\data\crm_project" reloadable="true" />
</Host>

注意：修改 server.xml 需要重启整个 Tomcat 实例，且主文件配置不当易导致全局服务无法拉起，生产环境通常采用外置部署方案。

修改端口

Tomcat 的所有网络监听端口均在安装目录下的 conf/server.xml 文件中进行统一定义与管理。

在该文件中，不同的 XML 标签分别控制着 Tomcat 的服务停机、Web 访问以及集群通信端口。修改端口时只需用文本编辑器修改对应标签的 port 属性值即可。

Tomcat 默认的监听端口为 8080。生产环境中通常需要变更为 Web 默认的 80 端口（HTTP 协议默认端口，修改后访问网址无需手动追加 :8080）；或者在单机部署多个 Tomcat 时，需修改为 8081、8082 等以避免冲突。

~~修改监听端口~~：

xml

<!-- 将默认的 8080 端口修改为标准 Web 访问端口 80 -->
<Connector port="80" protocol="HTTP/1.1"
       connectionTimeout="20000"
       redirectPort="8443" />

port：监听的物理端口号。
connectionTimeout：等待请求连接超时时间（单位：毫秒）。
redirectPort：当请求需要 SSL 安全通道（HTTPS）时，自动重定向的目标端口，默认为 8443。

~~修改关闭端口~~：

Tomcat 实例在本地运行期间，会启动一个 Socket 服务专门监听关闭指令（默认为 SHUTDOWN 字符串），默认端口为 8005。

修改原因为：在一台服务器上同时运行多个独立的 Tomcat 实例时，若该端口未做区分，后续启动的实例会因端口已被占用而直接崩溃报错。

xml

<!-- 修改 Tomcat 实例关闭监听端口以避免多实例端口冲突 -->
<Server port="8006" shutdown="SHUTDOWN">

port：接收停机指令的端口。如果设置为 -1，则表示完全禁用该停机端口（仅能通过系统杀进程方式关闭，常用于强化生产安全）。
shutdown：用于触发停机的口令文本。

~~重启生效~~：

端口修改完成后，变更并不会对正在运行的进程生效，必须重启 Tomcat 容器：

保存已修改的 conf/server.xml 文件。
执行 bin/shutdown.sh（Linux）或 bin/shutdown.bat（Windows）停止当前实例。
检查进程确认彻底退出后，执行 bin/startup.sh 或 bin/startup.bat 重新拉起服务。
浏览器访问新端口对应的地址（如 http://localhost:80）进行验证。

探活校验

部署应用后，在项目内通常配置初始化监听器或基础 Servlet 打印运行环境，校验部署是否成功生效：

java

// 监听容器启动事件并校验当前部署的上下文根路径
public class HealthCheckServlet extends HttpServlet {
  @Override
  public void init() throws ServletException {
    // 通过 Servlet 上下文获取当前应用绑定的挂载路径
    String mountPath = getServletContext().getContextPath();
    System.out.println("System deployed at context path: " + mountPath);
  }
}

远程管理

Tomcat 自带了图形化的应用程序管理器（Manager App），用于实时监控内存开销、热部署 WAR 包以及启停各应用上下文。

启用远程后台管理的步骤如下：

配置操作员权限：编辑 conf/tomcat-users.xml，在 <tomcat-users> 节点内添加管理角色与管理员用户：

xml

<role rolename="manager-gui"/>
<role rolename="admin-gui"/>
<user username="admin" password="SecretPassword" roles="manager-gui,admin-gui"/>

解除本地访问限制：Tomcat 默认限制 Manager 只能在本地（127.0.0.1）访问。如需远程访问，需编辑 webapps/manager/META-INF/context.xml，将 Valve 的 allow 属性调整为允许的远程 IP 正则表达式，或注释掉 Valve 节点。
访问管理面板：浏览器输入 http://<服务器IP>:8080/manager/html，输入配置好的账密即可进入管理视图。

在企业级安全架构中，若使用数据库进行统一权限管理，可以通过 JDBCRealm 直接连接数据源进行授权：

sql

SELECT role_name, COUNT(*)
  FROM tomcat_user_roles
  WHERE user_name = 'admin'
  GROUP BY role_name;

生产运维

在 Linux 生产环境中，通常将 Tomcat 托管给 systemd 服务，以实现开机自启和异常崩溃自动重启：

创建服务描述文件 /etc/systemd/system/tomcat.service：

ini

[Unit]
Description=Apache Tomcat Web Application Container
After=network.target

[Service]
Type=forking
Environment=JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-17-openjdk
Environment=CATALINA_HOME=/opt/tomcat
ExecStart=/opt/tomcat/bin/startup.sh
ExecStop=/opt/tomcat/bin/shutdown.sh
User=tomcat
Group=tomcat

[Install]
WantedBy=multi-user.target

重载服务配置并启动：

bash

systemctl daemon-reload
systemctl enable --now tomcat

HTTP

IDEA 中的 Web 项目

在 IntelliJ IDEA 中，Web 项目并非一个孤立的文件包，而是由项目管理模型、框架特征与编译产物协同构成的有机整体：

Project 与 Module：IDEA 的 Project 相当于工作空间（Workspace），而具体的业务系统以 Module（模块）为单位存在。一个 Project 下可挂载多个相互独立的 Web Module。
Facet（刻面）：用于向 IDEA 声明当前模块具备某种技术栈规范（如 Web、Spring）。配置了 Web Facet 后，IDEA 才会识别 web.xml 并启用上下文路径补全及 Servlet 语法提示。
Artifact（工件/产物）：模块源码、静态资源与第三方依赖编译打包后的最终形态，是直接交付给 Tomcat 等 Servlet 容器运行的实体。

创建 Web 项目

在 IDEA 中初始化一个标准 Web 项目包含以下操作阶段：

新建基础模块：点击菜单栏 File -> New -> Module，选择创建标准的 Java 模块。
挂载 Web 框架：
- 方式1：通过以前的Add Framework Support...
  双击 Shift 查找 Add Framework Support...，勾选 Web Application 选项（可按需指定 Servlet 规范版本并勾选自动生成 web.xml）。
- 方式2：在 Project Structure 中创建
配置 Tomcat：

Web 项目目录结构

标准的 JavaWeb 项目遵循固定的物理目录规范，各层级承载明确的职责：

text

MyWebApp/
├── src/main/java            # Java 后台业务源码（Servlet、Filter、Service 等）
├── src/main/resources       # 数据库配置文件、日志配置等类路径资源
└── web (或 src/main/webapp) # Web 应用根目录，存放前端静态资源
  ├── index.jsp            # 首页或欢迎文件
  └── WEB-INF/             # 受保护的私有目录（外部浏览器无法直接 URL 访问）
    ├── web.xml          # 核心部署描述符（路由映射、初始化参数）
    ├── classes/         # 编译后的 .class 文件存放地
    └── lib/             # 项目私有的第三方依赖 Jar 包

WEB-INF 是 JavaEE 规范中强安全隔离区，存放在该目录下的 JSP、HTML 页面只能通过服务端的请求转发（Forward）进行内部跳转，无法被客户端直接发起请求访问。

Web 项目部署

在交付部署前，需在 Project Structure -> Artifacts 中明确构建产物的打包形式。

Tomcat 部署主要涉及两种产物形态：

war：常规的归档压缩包。系统在构建时将所有类、静态资源和依赖整体打包为单个 .war 文件，常用于生产环境交付或跨服务器迁移。
war exploded：解压形态的目录结构。编译产物直接输出为一个扁平的文件夹，类文件与静态资源按 Web 规范排布。该形态无需反复经历解压与压缩过程，是本地日常开发与实时热更新的首选模式。

热更调试

为了避免修改代码后频繁重启 Tomcat，可在运行配置中利用热更新与断点机制：

配置热更触发策略：进入 Run/Debug Configurations -> Server，定位到两项关键配置：
- On 'Update' action：手动点击更新图标或按下快捷键时触发的操作，建议选择 Update classes and resources。
- On frame deactivation：当窗口焦点从 IDEA 切换到浏览器时触发的操作，建议选择 Update classes and resources。
方法体热替换：在 Debug 模式下修改 Java 方法内部代码，执行 Build -> Compile 后，JVM 会利用 HotSwap 机制动态加载新字节码，无需重启服务。如果增删了方法、修改了类签名或修改了注解，则必须重新部署。

S01-01 Servlet-Tomcat ​

概述 ​

概念定义 ​

权限体系【靠后】 ​

版本演进 ​

应用形态 ​

实现 MyTomcat ​

网络请求服务器时序图 ​

安装与部署 ​

环境准备 ​

下载安装 ​

环境变量 ​

目录结构 ​

启停验证 ​

部署方式 ​

方式1：静态目录/WAR 包直接部署 ​

方式2：描述符文件外置部署 ​

方式3：主配置文件虚拟路径映射 ​

修改端口 ​

探活校验 ​

远程管理 ​

生产运维 ​

HTTP ​

IDEA 中的 Web 项目 ​

创建 Web 项目 ​

Web 项目目录结构 ​

Web 项目部署 ​

热更调试 ​

S01-01 Servlet-Tomcat

概述

概念定义

权限体系【靠后】

版本演进

应用形态

实现 MyTomcat

网络请求服务器时序图

安装与部署

环境准备

下载安装

环境变量

目录结构

启停验证

部署方式

方式1：静态目录/WAR 包直接部署

方式2：描述符文件外置部署

方式3：主配置文件虚拟路径映射

修改端口

探活校验

远程管理

生产运维

HTTP

IDEA 中的 Web 项目

创建 Web 项目

Web 项目目录结构

Web 项目部署

热更调试