前言

Tomcat 中的請(qǐng)求都是由 Servlet 處理，靜態(tài)資源也不例外。在默認(rèn)的 web.xml 中，配置了一個(gè) DefaultServlet 用于處理靜態(tài)資源，它支持緩存和斷點(diǎn)續(xù)傳。

DefaultServlet 的基本處理過(guò)程如下：

• 查找資源是否存在緩存
• 檢查是否滿足可選 If 頭域指定的條件
• 設(shè)置響應(yīng)頭域，如 Content-Type、Content-Length、ETag、Last-Modified
• 檢查是否滿足 Sendfile 的條件，否則將內(nèi)容拷貝到輸出流中

接下來(lái)主要分析資源緩存的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及 If 頭域的處理。

1. 資源緩存的設(shè)計(jì)

訪問(wèn)磁盤的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于訪問(wèn)內(nèi)存的速度，所以適當(dāng)?shù)木彺嬉徊糠朱o態(tài)資源能夠讓系統(tǒng)快速響應(yīng)。

Tomcat 在 6.0.53 版本實(shí)現(xiàn)靜態(tài)資源的處理時(shí)，借助了 JNDI 的一些 API（但在使用時(shí)感覺(jué)與 JNDI 的關(guān)系不大），相關(guān)類圖及核心方法和屬性如下：

緩存相關(guān)的類：

• ResourceCache: 緩存實(shí)現(xiàn)，提供了資源查找、加載、銷毀的功能
• CacheEntry: 一個(gè)緩存條目，包含緩存名稱，如 /tomcat.gif，資源和資源的屬性以及對(duì)應(yīng)的目錄

資源目錄相關(guān)的類是：

• EmptyDirContext: 主要用于嵌入式模式，行為就像沒(méi)有可用資源一樣
• FileDirContext: 基于文件系統(tǒng)的資源目錄服務(wù)
• WARDirContext: 基于 war 文件的目錄服務(wù)
• Resource: 封裝了資源內(nèi)容，主要有字節(jié)數(shù)據(jù)和輸入流
• ResourceAttributes: 資源屬性，主要有內(nèi)容長(zhǎng)度和最后修改時(shí)間
• ProxyDirContext: 資源緩存和目錄服務(wù)的代理，提供查找資源緩存、校驗(yàn)緩存是否過(guò)期等功能

默認(rèn)情況下，緩存最大為 10 MB，單個(gè)緩存資源最大為 512 KB，緩存的 TTL 為 5s。

一般的，在 Mapper 映射到處理靜態(tài)資源的 Wrapper 時(shí)，會(huì)引起資源的加載，基本的方法調(diào)用情況如下：

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)

緩存資源插入內(nèi)部數(shù)組時(shí)是有序的，find 方法就是通過(guò)資源名二分查找緩存，資源名就是請(qǐng)求路徑，此時(shí)有兩種情況，緩存命中和未命中。

緩存未命中，在 cacheLookup 方法中會(huì)新建一個(gè) CacheEntry 對(duì)象，調(diào)用 cacheLoad 方法加入到 ResourceCache 的緩存數(shù)組中，加入前會(huì)對(duì)緩存條目進(jìn)行以下操作：

• 獲取并初始化緩存資源屬性，主要是文件的 contentLength 和 lastModified
• 如果文件長(zhǎng)度小于 512KB，那么將文件內(nèi)容加載到內(nèi)存中
• 標(biāo)記緩存存在，設(shè)置緩存時(shí)間戳

緩存命中，會(huì)對(duì)緩存條目進(jìn)行校驗(yàn)：

• 檢查是否過(guò)期，當(dāng)前時(shí)間大于緩存條目設(shè)置的時(shí)間戳
• 如果過(guò)期，再檢查資源內(nèi)容是否修改
• 如果修改，清除這個(gè)緩存，讀取最新內(nèi)容

以上就是資源緩存簡(jiǎn)單的處理過(guò)程。

2. If 頭域的處理

客戶端接收并緩存請(qǐng)求的資源，，當(dāng)再次請(qǐng)求此資源時(shí)，服務(wù)端根據(jù)特定的請(qǐng)求頭域來(lái)驗(yàn)證資源是否修改，沒(méi)有變動(dòng)，則只返回一個(gè) 304 Not Modified 響應(yīng)，否則返回資源的內(nèi)容，從而節(jié)省帶寬。

用于資源驗(yàn)證的頭域有兩種，分別是：Last-Modified+If-Modified-Since 和 ETag+If-None-Match。

Last-Modified+If-Modified-Since，單位是秒，這個(gè)容易理解，如果服務(wù)端資源的最后修改時(shí)間小于 If-Modified-Since 的值，表示資源無(wú)變動(dòng)。與 If-Modified-Since 對(duì)應(yīng)的有個(gè) If-Unmodified-Since，它類似一個(gè)斷言，小于此時(shí)間戳的資源才返回，大于等于的話會(huì)返回 412 Precondition Failed 的錯(cuò)誤。

使用時(shí)間戳校驗(yàn)有幾個(gè)弊端：

• 文件有可能只改變修改時(shí)間，內(nèi)容不變
• 文件在秒以下的時(shí)間修改無(wú)法判斷
• 服務(wù)器可能不能精確獲取文件的最后修改時(shí)間。

因此，HTTP 引入了 ETag。ETag(Entity Tags) 資源唯一標(biāo)識(shí)，可看做服務(wù)端為資源生成的一個(gè) Token，用于校驗(yàn)資源是否修改。HTTP 只規(guī)定 ETag 要放在雙引號(hào)內(nèi)，沒(méi)有規(guī)定內(nèi)容是什么或者要怎么實(shí)現(xiàn)，Tomcat 生成 ETag 的邏輯是 "W/\"" + contentLength + "-" + lastModified + "\"" ，其中 'W/' 表示大小寫敏感。

ETag+If-None-Match，If-None-Match 的值由一個(gè)或多個(gè) ETag 組成，多個(gè)以逗號(hào)分割，如果服務(wù)端資源的 ETag 與其中的任何一個(gè)都不匹配，表示請(qǐng)求的資源有修改；否則無(wú)變動(dòng)。它還有一個(gè)特殊值-星號(hào)（*），只在資源上傳時(shí)使用，通常是 PUT 方法，檢查是否已經(jīng)上傳過(guò)。

此外 If-None-Match 的優(yōu)先級(jí)高于 If-Modified-Since，也就是說(shuō)，存在 If-None-Match 就不對(duì)最后修改時(shí)間進(jìn)行校驗(yàn)。與 If-None-Match 相對(duì)的有個(gè) If-Match，它也類似斷言，只有資源的 ETag 匹配時(shí)才認(rèn)為沒(méi)有修改，通常用于斷點(diǎn)續(xù)傳。

Tomcat 實(shí)現(xiàn)此部分的核心代碼如下：

// 返回 true 是才認(rèn)為資源有變動(dòng)
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 一次請(qǐng)求流程

以請(qǐng)求 /main.css 靜態(tài)資源為例，第一次請(qǐng)求響應(yīng)頭信息如下：

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

第二次請(qǐng)求時(shí)，首先看一下請(qǐng)求頭域關(guān)鍵信息：

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"

服務(wù)器收到請(qǐng)求后就會(huì)比對(duì) ETag，這里匹配成功，表示資源沒(méi)有修改，響應(yīng)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：在復(fù)現(xiàn)時(shí)，要使用文本類型，如果使用 Chrome 瀏覽器，記得開啟緩存。

2.2 Accept-Ranges

在上文的響應(yīng)中，服務(wù)器設(shè)置了一個(gè) Accept-Ranges: bytes 頭，字面理解就是可以請(qǐng)求資源的一部分字節(jié)，客戶端發(fā)現(xiàn)有這個(gè)頭時(shí)，就可以嘗試斷點(diǎn)續(xù)傳。

解析過(guò)程就是對(duì) HTTP 規(guī)范的實(shí)現(xiàn)，這里不在具體分析了，規(guī)范詳細(xì)信息可查看 RFC7233#section-2.3.

3. SendFile 的處理

檢查是否支持 SendFile，NIO 模式下支持此操作，也就是零拷貝，此操作會(huì)減少一次到應(yīng)用內(nèi)存的拷貝，直接從內(nèi)核將數(shù)據(jù)寫入通道。Tomcat 在文件大小大于 48KB 時(shí)會(huì)嘗試使用此方式發(fā)送。

4. 小結(jié)

Tomcat 對(duì)靜態(tài)資源處理的實(shí)現(xiàn)還是比較完善的，但還是略遜色于 Nginx 這類 Web 服務(wù)器，因?yàn)樗鼈兡苤苯犹幚盱o態(tài)資源，而 Tomcat 還要多做一次映射。一般的都會(huì)進(jìn)行動(dòng)靜分離，讓 Tomcat 專注處理動(dòng)態(tài)請(qǐng)求。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。