Web应用服务器Tomcat

文章目录

• 1. Web技术
• • 1.1 核心概念
  • 1.2 静、动态网页
  • 1.3 同步、异步
• 2 Web架构
• • 2.1 单体架构（Monolithic）
  • 2.2 微服务架构（Microservices）
  • 2.3 常见Web服务器/容器
• 3 Tomcat
• • 3.1 定位
  • 3.2 核心功能
  • 3.3 核心组件
  • 3.4 目录结构
• 4 反向代理与负载均衡
• • 4.1 部署方式演进
  • 4.2 LNMT/LAMT架构对比
  • 4.3 Session问题详解
• 5 Memcached缓存
• • 5.1 简介
  • 5.2 与Redis对比
  • 5.3 基本命令详解
• 6 Session共享方案（MSM）
• • 6.1 背景
  • 6.2 所需Jar包
  • 6.3 工作原理
  • • Sticky模式（粘性会话，推荐）
    • Non-Sticky模式（非粘性）
    • 序列化过程
    • 故障恢复机制
• 7 实践

1. Web技术

1.1 核心概念

1.2 静、动态网页

1.3 同步、异步

Ajax工作流程：JavaScript发起异步请求 → 服务器返回数据（JSON/XML）→ JavaScript更新DOM局部内容

2 Web架构

2.1 单体架构（Monolithic）

• 定义：所有功能模块打包在一个应用中，统一部署运行
• 优点：
  • 易于开发测试：单一代码库，调试方便
  • 部署简单：一个WAR/JAR包直接部署
  • 扩展方便：水平复制（多实例部署）
  • 事务处理简单：本地事务即可保证一致性
• 缺点：
  • 耦合度高：模块间边界模糊，代码纠缠
  • 全站风险：任一模块故障影响整个系统
  • 技术栈锁定：难以引入新技术
  • 不适合快速迭代：小改动需全量部署
  • 团队协作难：大量开发者冲突频繁

2.2 微服务架构（Microservices）

• 核心思想：按业务领域拆分成独立服务，一个服务只做一件事（单一职责原则）
• 服务特征：
  • 独立部署、独立扩展
  • 拥有自己的数据库（Database per Service）
  • 轻量级通信机制
• 通信方式：HTTP RESTful API、消息队列（RabbitMQ/Kafka）、gRPC
• 基础设施：服务注册发现（Eureka/Nacos）、配置中心、网关（Gateway）、熔断限流（Hystrix/Sentinel）
• 优点：
  • 松耦合：服务间通过接口通信
  • 独立部署：单个服务升级不影响全局
  • 小团队开发：2 Pizza Team（亚马逊原则）
  • 技术栈灵活：不同服务可用不同语言/框架
  • 故障隔离：单点故障不会拖垮整体
• 缺点：
  • 分布式复杂性：网络延迟、超时、重试
  • 数据一致性挑战：分布式事务（Saga、TCC模式）
  • 运维成本高：监控、日志、链路追踪
  • 测试复杂：集成测试需协调多服务

2.3 常见Web服务器/容器

3 Tomcat

3.1 定位

• 官方定义：Apache Tomcat是开源的Servlet容器（Servlet Container），实现了Java EE（现Jakarta EE）中的Servlet、JSP、WebSocket等规范
• 与Web服务器区别：
  • Web服务器（如Nginx、Apache Httpd）：处理静态资源、反向代理、负载均衡
  • Servlet容器（如Tomcat）：运行Java Web应用，处理动态请求
• 双重角色：既是Servlet容器，也可作为轻量级Web服务器使用（支持静态资源，但性能不如Nginx）

3.2 核心功能

3.3 核心组件

• Catalina：Servlet容器核心，实现Servlet规范
• Coyote：HTTP连接器，处理网络连接、解析HTTP协议
• Jasper：JSP引擎，负责JSP编译
• Cluster：集群组件，支持Session复制
• Realm：安全域，提供用户认证授权

3.4 目录结构

$CATALINA_HOME/
├── bin/ # 启动/关闭脚本（startup.sh/shutdown.sh）
├── conf/ # 配置文件（server.xml、web.xml）
├── lib/ # 公共类库（Servlet API、JDBC驱动等）
├── logs/ # 日志文件
├── webapps/ # 部署目录（WAR包自动解压）
├── work/ # JSP编译后的Servlet源码和class
└── temp/ # 临时文件

4 反向代理与负载均衡

4.1 部署方式演进

4.2 LNMT/LAMT架构对比

Nginx vs Apache Httpd：

• Nginx：异步非阻塞事件驱动，高并发低内存，适合反向代理
• Apache：进程/线程模型，模块多、功能全，适合复杂业务逻辑

4.3 Session问题详解

• HTTP无状态本质：每个请求独立，服务器不保存客户端上下文
• Session机制：
• 首次请求：服务器创建Session对象，生成唯一SessionID
• 响应头：Set-Cookie: JSESSIONID=xxx
• 后续请求：浏览器自动携带Cookie，服务器通过ID找到Session
• 负载均衡下的Session问题：
  • 请求1→Tomcat A（创建Session）
  • 请求2→Tomcat B（无此SessionID，重新创建→用户登录状态丢失）
• 解决方案：
• Session复制（Tomcat Cluster）：实时同步Session到所有节点，网络开销大
• Session粘滞（IP Hash）：固定用户到固定节点，单点故障风险
• Session集中存储（Memcached/Redis）：推荐方案，MSM实现

5 Memcached缓存

5.1 简介

• 定位：高性能分布式内存对象缓存系统，LiveJournal团队2003年开发
• 设计哲学：简单、快速、分布式，专注缓存不做持久化
• 核心特点：
  • 纯内存操作，读写速度极快（微秒级）
  • 基于libevent实现高效事件驱动网络IO
  • 分布式：客户端通过一致性哈希选择服务器节点
  • 不支持持久化：重启数据丢失，纯缓存用途
  • LRU淘汰：内存满时自动淘汰最少使用数据
• 限制：
  • 单个对象最大1MB（适合Session、小对象，不适合大文件）
  • 仅支持Key-Value（String），无复杂数据结构
  • 无认证机制，需部署在内网

5.2 与Redis对比

5.3 基本命令详解

参数格式：command <key> <flags> <exptime> <bytes> [noreply]\\r\\n<value>\\r\\n

• key：键名，最大250字节，不能含空格/控制字符
• flags：16位无符号整数，存储额外标记（如数据类型），客户端自定义
• exptime：过期时间（秒）
  • 0 = 永久存储（但受LRU淘汰）
  • 30天内：秒数（如3600=1小时）
  • Unix时间戳：1970年1月1日以来的秒数
• bytes：数据字节数（不含\\r\\n），必须与value实际长度一致
• noreply：可选，不等待服务器响应（提升性能）

6 Session共享方案（MSM）

6.1 背景

MSM（Memcached Session Manager）：开源Tomcat扩展，将Session序列化后存储到Memcached，实现：

• Session共享：多Tomcat实例共享同一Session存储
• 高可用：Memcached集群故障时自动切换节点
• 弹性伸缩：Tomcat实例随意增减，不影响用户会话

6.2 所需Jar包

将以下jar包放入 $CATALINA_HOME/lib/ 目录：

版本匹配：tc9对应Tomcat 9.x，tc8对应Tomcat 8.x，务必匹配

6.3 工作原理

Sticky模式（粘性会话，推荐）

用户请求 → Nginx（IP Hash固定到Tomcat A）→ Tomcat A
↓
Session存储：Memcached Node 1（主）
↓
异步备份到：Memcached Node 2（备）

流程：

Non-Sticky模式（非粘性）

用户请求1 → Tomcat A → 写入Memcached Node 1/2（根据SessionID哈希）
用户请求2 → Tomcat B → 从Memcached读取（可能不同节点）

特点：每个请求都可能到不同Tomcat，每次需从Memcached读取Session，网络开销大，但Tomcat故障无感知

序列化过程

Tomcat Session对象
↓
Kryo序列化（二进制，高效）
↓
压缩（可选Snappy/LZ4）
↓
存储到Memcached（Key=SessionID，Value=序列化数据）

SessionID映射：Memcached的Key = 会话ID + – + Tomcat标识（避免多Tomcat冲突）

故障恢复机制

• Memcached节点故障：自动切换到备份节点，Session不丢失（Sticky模式）
• Tomcat节点故障：Nginx剔除故障节点，请求转到其他Tomcat，从Memcached恢复Session
• 网络分区：依赖Memcached集群自身的高可用（如Repcached双向复制）

7 实践

Tomcat实践