Tomcat中对静态资源的处理教程

前言

Tomcat 中的请求都是由 Servlet 处理,静态资源也不例外。在默认的 web.xml 中,配置了一个 DefaultServlet 用于处理静态资源,它支持缓存和断点续传。

DefaultServlet 的基本处理过程如下:

  • 查找资源是否存在缓存
  • 检查是否满足可选 If 头域指定的条件
  • 设置响应头域,如 Content-Type、Content-Length、ETag、Last-Modified
  • 检查是否满足 Sendfile 的条件,否则将内容拷贝到输出流中

接下来主要分析资源缓存的设计和实现,以及 If 头域的处理。

1. 资源缓存的设计

访问磁盘的速度远远低于访问内存的速度,所以适当的缓存一部分静态资源能够让系统快速响应。

Tomcat 在 6.0.53 版本实现静态资源的处理时,借助了 JNDI 的一些 API(但在使用时感觉与 JNDI 的关系不大),相关类图及核心方法和属性如下:

缓存相关的类:

  • ResourceCache: 缓存实现,提供了资源查找、加载、销毁的功能
  • CacheEntry: 一个缓存条目,包含缓存名称,如 /tomcat.gif,资源和资源的属性以及对应的目录

资源目录相关的类是:

  • EmptyDirContext: 主要用于嵌入式模式,行为就像没有可用资源一样
  • FileDirContext: 基于文件系统的资源目录服务
  • WARDirContext: 基于 war 文件的目录服务
  • Resource: 封装了资源内容,主要有字节数据和输入流
  • ResourceAttributes: 资源属性,主要有内容长度和最后修改时间
  • ProxyDirContext: 资源缓存和目录服务的代理,提供查找资源缓存、校验缓存是否过期等功能

默认情况下,缓存最大为 10 MB,单个缓存资源最大为 512 KB,缓存的 TTL 为 5s。

一般的,在 Mapper 映射到处理静态资源的 Wrapper 时,会引起资源的加载,基本的方法调用情况如下:

Mapper.map(MessageBytes, MessageBytes, MappingData)
└─Mapper.internalMap(CharChunk, CharChunk, MappingData)
 └─Mapper.internalMapWrapper(Mapper$Context, CharChunk, MappingData)
 └─ProxyDirContext.lookup(String)
 └─ProxyDirContext.cacheLookup(String)
 └─ResourceCache.lookup(String)
  └─ResourceCache.find(CacheEntry[], String)

缓存资源插入内部数组时是有序的,find 方法就是通过资源名二分查找缓存,资源名就是请求路径,此时有两种情况,缓存命中和未命中。

缓存未命中,在 cacheLookup 方法中会新建一个 CacheEntry 对象,调用 cacheLoad 方法加入到 ResourceCache 的缓存数组中,加入前会对缓存条目进行以下操作:

  • 获取并初始化缓存资源属性,主要是文件的 contentLength 和 lastModified
  • 如果文件长度小于 512KB,那么将文件内容加载到内存中
  • 标记缓存存在,设置缓存时间戳

缓存命中,会对缓存条目进行校验:

  • 检查是否过期,当前时间大于缓存条目设置的时间戳
  • 如果过期,再检查资源内容是否修改
  • 如果修改,清除这个缓存,读取最新内容

以上就是资源缓存简单的处理过程。

2. If 头域的处理

客户端接收并缓存请求的资源,,当再次请求此资源时,服务端根据特定的请求头域来验证资源是否修改,没有变动,则只返回一个 304 Not Modified 响应,否则返回资源的内容,从而节省带宽。

用于资源验证的头域有两种,分别是:Last-Modified+If-Modified-Since 和 ETag+If-None-Match。

Last-Modified+If-Modified-Since,单位是秒,这个容易理解,如果服务端资源的最后修改时间小于 If-Modified-Since 的值,表示资源无变动。与 If-Modified-Since 对应的有个 If-Unmodified-Since,它类似一个断言,小于此时间戳的资源才返回,大于等于的话会返回 412 Precondition Failed 的错误。

使用时间戳校验有几个弊端:

  • 文件有可能只改变修改时间,内容不变
  • 文件在秒以下的时间修改无法判断
  • 服务器可能不能精确获取文件的最后修改时间。

因此,HTTP 引入了 ETag。ETag(Entity Tags) 资源唯一标识,可看做服务端为资源生成的一个 Token,用于校验资源是否修改。HTTP 只规定 ETag 要放在双引号内,没有规定内容是什么或者要怎么实现,Tomcat 生成 ETag 的逻辑是 "W/"" + contentLength + "-" + lastModified + """ ,其中 'W/' 表示大小写敏感。

ETag+If-None-Match,If-None-Match 的值由一个或多个 ETag 组成,多个以逗号分割,如果服务端资源的 ETag 与其中的任何一个都不匹配,表示请求的资源有修改;否则无变动。它还有一个特殊值-星号(*),只在资源上传时使用,通常是 PUT 方法,检查是否已经上传过。

此外 If-None-Match 的优先级高于 If-Modified-Since,也就是说,存在 If-None-Match 就不对最后修改时间进行校验。与 If-None-Match 相对的有个 If-Match,它也类似断言,只有资源的 ETag 匹配时才认为没有修改,通常用于断点续传。

Tomcat 实现此部分的核心代码如下:

// 返回 true 是才认为资源有变动
protected boolean checkIfHeaders(HttpServletRequest request,
  HttpServletResponse response,ResourceAttributes resourceAttributes)
  throws IOException {
 return checkIfMatch(request, response, resourceAttributes)
  && checkIfModifiedSince(request, response, resourceAttributes)
  && checkIfNoneMatch(request, response, resourceAttributes)
  && checkIfUnmodifiedSince(request, response, resourceAttributes);
}

2.1 一次请求流程

以请求 /main.css 静态资源为例,第一次请求响应头信息如下:

HTTP/1.1 200 OK
Server: Apache-Coyote/1.1
Accept-Ranges: bytes
ETag: W/"72259-1557127244000"
Last-Modified: Mon, 06 May 2019 07:20:44 GMT
Content-Type: text/css
Content-Length: 72259
Date: Mon, 06 May 2019 07:20:57 GMT

第二次请求时,首先看一下请求头域关键信息:

Cache-Control:max-age=0
Connection:keep-alive
Host:localhost:8080
If-Modified-Since:Mon, 06 May 2019 07:20:44 GMT
If-None-Match:W/"72259-1557127244000"

服务器收到请求后就会比对 ETag,这里匹配成功,表示资源没有修改,响应如下:

HTTP/1.1 304 Not Modified
Server: Apache-Coyote/1.1
ETag: W/"72259-1557127244000"
Date: Mon, 06 May 2019 07:21:46 GMT

注意:在复现时,要使用文本类型,如果使用 Chrome 浏览器,记得开启缓存。

2.2 Accept-Ranges

在上文的响应中,服务器设置了一个 Accept-Ranges: bytes 头,字面理解就是可以请求资源的一部分字节,客户端发现有这个头时,就可以尝试断点续传。

解析过程就是对 HTTP 规范的实现,这里不在具体分析了,规范详细信息可查看 RFC7233#section-2.3.

3. SendFile 的处理

检查是否支持 SendFile,NIO 模式下支持此操作,也就是零拷贝,此操作会减少一次到应用内存的拷贝,直接从内核将数据写入通道。Tomcat 在文件大小大于 48KB 时会尝试使用此方式发送。

4. 小结

Tomcat 对静态资源处理的实现还是比较完善的,但还是略逊色于 Nginx 这类 Web 服务器,因为它们能直接处理静态资源,而 Tomcat 还要多做一次映射。一般的都会进行动静分离,让 Tomcat 专注处理动态请求。

总结

以上就是这篇文章的全部内容了,希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,谢谢大家对来客网的支持。