关于java:Tomcat-中是怎么处理文件上传的

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前言

这两天在另一个社区看到了一个对于 Tomcat 的发问,还挺有意思。正好本人之前也没思考过这个问题,明天就联合 Tomcat 机制来聊聊这个“为什么”。

本文对 HTTP 协定中的文件上传规范和 Tomcat 机制的剖析内容较多,比拟根底,不须要的大佬门能够间接跳到文末。

HTTP 协定中的文件上传

家喻户晓,HTTP 是一个 文本协定,那文本协定如何传输文件呢?

间接传……是的就这么简略。文本协定只是在应用层的角度,到了传输层都是数据都是字节,没什么区别,并不必进行额定的编解码。

multipart/form-data 形式

HTTP 协定中还是规定了一种 基于表单的文件上传形式(Form-based File Upload)。在 form 中定义一个 ENCTYPE 属性,值为 multipart/form-data,而后减少一个 type 为 file 的 <input> 标签。

 <FORM ENCTYPE="multipart/form-data" ACTION="_URL_" METHOD=POST>

   File to process: <INPUT NAME="userfile1" TYPE="file">

   <INPUT TYPE="submit" VALUE="Send File">

 </FORM>

这个 multipart/form-data 类型的表单和默认的 x-www-form-urlencoded 有些不同。尽管都作为表单,能够上传多个字段,但前者能够上传文件,后者却只能传输文本

当初来看看这个表单文件上传形式的协定,下图是一个简略的 multipart/form-data 类型的申请报文:

从上图能够看到,HTTP header 局部变动很小,只是在 Content-Type 中减少了一段 boundary 标签;但 payload 局部变动却比拟大

boundary 在 multipart/form-data 中作用是分隔表单的多个字段,在 payload 局部中,首尾两行各有一个 boundary,每个字段(part/item)之间也会有一个 boundary

Server 端在读取时,只须要先从 Content-Type 中拿到 boundary,而后通过这个 boundary 去拆分 payload 局部就能够获取所有的字段。

每个字段的报文中,有一个 Content-Disposition 字段,作为这个字段的 Header 局部。其中记录了以后字段名(name),如果是文件的话还会有一个 filename 属性,同时再下一行会附带一个 Content-Type 来标识文件的类型

尽管 x-www-form-urlencoded 和 multipart 两种类型的表单都能够实现字段的传输,但 multipart 不仅能够传输文本字段,还能够传输文件。而且这个 multipart 传输文件的形式也是“规范”的,各种 Server 都能够反对,间接读取文件。

而 x-www-form-urlencoded 只能够传输根底的文本数据,不过你要是强行把文件当做文本,用这个类型传也没人能拦你,但作为文本传输时后端必然用字符串形式解析,byte -> str 时的编码开销齐全没必要,而且可能会导致编码谬误……

在 x-www-form-urlencoded 类型的报文中,并没有 boundary,多个字段会通过 & 符号拼接,并且对 key/value 都进行 urlencode 编码

尽管 x-www-form-urlencoded 减少了异步编码的过程,但不会给每个字段减少 header,也没有 boundary,报文体积绝对 multipart 形式来说小了很多。

除了这个 multipart,还有一种间接上传文件的模式,不过不太罕用

binary payload 形式

除了 multipart/form-data 之外,还有一种 binary payload 的上传形式。这个 binary payload 是我本人起的名字……因为在 HTTP 协定中并没有找到这种形式的阐明(如果有找到的大佬评论区贴个连贯),不过很多 HTTP 客户端都反对。

比方 Postman:

比方 OkHttp:

OkHttpClient client = new OkHttpClient().newBuilder()
  .build();
MediaType mediaType = MediaType.parse("image/png");
RequestBody body = RequestBody.create(mediaType, "<file contents here>");
Request request = new Request.Builder()
  .url("localhost:8098/upload")
  .method("POST", body)
  .addHeader("Content-Type", "image/png")
  .build();
Response response = client.newCall(request).execute();

这种形式非常简单,就是将整个 payload 局部,都用来寄存文件数据。如下图所示,整个 payload 局部都是文件内容:

这种形式尽管简略,客户端实现也简略,但……服务端没有很好的反对。比方 Tomcat 中,并不会将这种 binary file 的模式作为文件解决,而是当做一般的报文解决。

Tomcat 解决机制剖析

Tomcat 在解决文本模式的报文时,会先读取后面的 Header 局部,解析 Content-Length 来划分报文边界,剩下的 Payload 局部并不会一次性读取,而是包装了一个 InputStream,在外部调用 Socket read 进行读取 RCV_BUF 的数据(残缺报文大小大于 readBuf Size 时

对 HttpServletRequest 调用 getParameter/getInputStream 等波及 Payload 局部读取操作时,就会进行 InputStream 外部的 Socket RCV_BUF 的读取,读取 Payload 的数据。

这种 不一次性读取所有数据暂存至内存中的形式,而包装一个 InputStream 外部读取 RCV_BUF 的形式,特点是不存储数据,只是做一个包装,应用层对 ServletRequest#inputStream 的 read 操作会转发到对 Socket RCV_BUF 的 read。

不过如果应用层残缺的读取了 ServletRequest#inputStream,而后转字符串,存储至内存中的话,那这就和 Tomcat 没什么关系了。

对于 multipart 类型的申请,Tomcat 解决机制上比拟非凡。因为 multipart 是为了传输文件而设计的,所以在解决这种类型申请时,Tomcat 减少了一个暂存文件的概念,在解析报文时,将 multipart 中的数据写入到了磁盘中

如下图所示,Tomcat 对每一个字段都包装为一个 DiskFileItem – org.apache.tomcat.util.http.fileupload.disk.DiskFileItem(这个 DiskFileItem 不辨别是文件还是文本数据)。DiskFileItem 内又分为 Header 局部和 Content 局部。Content 中一部分存储在内存,剩下的存储至磁盘,通过一个 sizeThreshold 进行宰割;不过这个值默认为 0 ,也就是说默认会把内容局部全副存储至磁盘。

那既然存储至磁盘,读取时也必定也是从磁盘读取了……效率天然是比拟低的。所以如果只是文本型的报文,还是不要用 multipart 类型来传输了,这个类型会被转存磁盘的。

还有一个冷常识,Tomcat 在解决 multipart 类型的报文时,如果某个字段不是文件,会将这个字段的 key/value 增加到 parameterMap 中,也就是说通过 request.getParameter/getParameterMap 能够获取到这些非文件的字段。

//org.apache.catalina.connector.Request#parseParts

if (part.getSubmittedFileName() == null) {String name = part.getName();
    String value = null;
    try {value = part.getString(charset.name());
    } catch (UnsupportedEncodingException uee) {// Not possible}
    ......
        parameters.addParameter(name, value);
}

要晓得这个 getParameter 是只能获取表单参数(FormParam)和查问参数(QueryString)的,不过 multipart 也是 form,能获取参数如同也没啥故障……

一个简略的小结

Tomcat 对不同类型的申请解决形式:

  1. 如果参数是 GET queryString 形式(url 上拼参数),那么所有参数都在报文头中,会一次性全副读取至内存
  2. 如果是 POST 类型的报文,Tomcat 只会对读取 Header 局部,Payload 局部不会被动读取,而是将 Socket 包装成一个 InputStream 供应用层 read

    1. x-www-form-urlencoded 这种类型的报文,尽管不会被动读取,但很多 Web 框架(比方 SpringMVC)会调用 getParameter,还是会登程 InputStream 的 read,对 RCV_BUF 进行读取
    2. 下面提到的 binary payload 也是一样,Tomcat 并不会被动发动 read 操作,须要应用层调用 ServletRequest#InputStream 进行 read 操作读取 RCV_BUF 的数据
    3. multipart 类型的报文,一样不会被动读取,调用 HttpServletRequest#getParts 才会触发解析 / 读取;同样的,很多 Web 框架会调用 getParts,所以会触发解析

为什么要先写入临时文件,间接包装 InputStream 交给应用层读取不行吗?

如果应用层不(及时)读取 RCV_BUF,那么当收到的数据写满 RCV_BUF 时,就不会再返回 ACK 了,客户端的的数据也会存储在 SND_BUF 中,无奈持续发送数据,当 SND_BUF 被应用层写满时,这条连贯就被阻塞了。


以下起因是集体认识,没有官网文献的反对,如有不同意见欢送评论区留言探讨

因为 multipart 个别是用于传输文件,但文件大小通常会远大于 Socket Buffer 的容量。所以,为了不阻塞 TCP 连贯,Tomcat 会一次性读取残缺的 Payload 局部,而后将其中所有的 Part 存储至磁盘(Header 在内存中,内容在磁盘)。

应用层只须要再从 Tomcat 提供的 DiskFileItem 读取 Part 数据即可,这样看起来尽管直达了一层,但 RCV_BUF 中的数据却能够被及时生产了。

从效率上说,直达 + 存磁盘这种操作,肯定比不直达要慢的多,不过能够及时生产 RCV_BUF,保障 TCP 连贯不被阻塞。

如果是在 HTTP2 的多路复用下,多个申请都应用同一个 TCP 连贯,如果 RCV_BUF 没有及时生产,那么还会导致所有的“逻辑 HTTP 连贯”都阻塞

那为什么其余类型的报文不必暂存磁盘呢?

因为报文小啊,一般的申请报文不会太大的,常见的也就几 K 到几十 K,而且对于纯文本报文来说,读取操作肯定也是及时的且一次性全副读取的,而 multipart 这种模式的报文不同,它是文本 + 文件混合的形式,而且还可能是多文件。

比方服务端在接管到文件后,还须要对文件进行转存,转存到某些云厂商的对象存储服务中,那么此时有两种转存形式:

  1. 接管到残缺文件数据,存储至内存中,而后调用对象存储的 SDK
  2. 用流的形式,一边 read ServletRequest#InputStream,一边 write 到 SDK 的 OutputStream 中

形式 1,尽管及时读取了 RCV_BUF,然而内存占用过大,很容易把内存撑爆,十分不合理
形式 2,尽管内存占用很小(最多只有一个 Read Buffer 的大小),但因为是边读边写,两边都是网络,会导致 RCV_BUF 不能及时生产实现。

而且不光是 Tomcat,连 Jetty 也是这么解决 multipart,其余 Web Server 尽管没看,但我想应该都会这么解决。

参考

  • Apache Tomcat
  • Form-based File Upload in HTML – IETF
  • 《Tomcat 架构解析》– 刘光瑞 著

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