Servlet 工作原理解析.docx
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Servlet工作原理解析
Servlet工作原理解析
Web技术成为当今主流的互联网Web应用技术之一，而Servlet是JavaWeb技术的核心基础。
因而掌握Servlet的工作原理是成为一名合格的JavaWeb技术开发人员的基本要求。
本文将带你认识JavaWeb技术是如何基于Servlet工作，你将知道：
以Tomcat为例了解Servlet容器是如何工作的？
一个Web工程在Servlet容器中是如何启动的？
Servlet容器如何解析你在web.xml中定义的Servlet？
用户的请求是如何被分配给指定的Servlet的？
Servlet容器如何管理Servlet生命周期？
你还将了解到最新的Servlet的API的类层次结构，以及Servlet中一些难点问题的分析。
从Servlet容器说起
要介绍Servlet必须要先把Servlet容器说清楚，Servlet与Servlet容器的关系有点像枪和子弹的关系，枪是为子弹而生，而子弹又让枪有了杀伤力。
虽然它们是彼此依存的，但是又相互独立发展，这一切都是为了适应工业化生产的结果。
从技术角度来说是为了解耦，通过标准化接口来相互协作。
既然接口是连接Servlet与Servlet容器的关键，那我们就从它们的接口说起。
前面说了Servlet容器作为一个独立发展的标准化产品，目前它的种类很多，但是它们都有自己的市场定位，很难说谁优谁劣，各有特点。
例如现在比较流行的Jetty，在定制化和移动领域有不错的发展，我们这里还是以大家最为熟悉Tomcat为例来介绍Servlet容器如何管理Servlet。
Tomcat本身也很复杂，我们只从Servlet与Servlet容器的接口部分开始介绍，关于Tomcat的详细介绍可以参考我的另外一篇文章《Tomcat系统架构与模式设计分析》。
Tomcat的容器等级中，Context容器是直接管理Servlet在容器中的包装类Wrapper，所以Context容器如何运行将直接影响Servlet的工作方式。
图1.Tomcat容器模型
从上图可以看出Tomcat的容器分为四个等级，真正管理Servlet的容器是Context容器，一个Context对应一个Web工程，在Tomcat的配置文件中可以很容易发现这一点，如下：
清单1Context配置参数
reloadable="true"/>
下面详细介绍一下Tomcat解析Context容器的过程，包括如何构建Servlet的过程。
Servlet容器的启动过程
Tomcat7也开始支持嵌入式功能，增加了一个启动类org.apache.catalina.startup.Tomcat。
创建一个实例对象并调用start方法就可以很容易启动Tomcat，我们还可以通过这个对象来增加和修改Tomcat的配置参数，如可以动态增加Context、Servlet等。
下面我们就利用这个Tomcat类来管理新增的一个Context容器，我们就选择Tomcat7自带的examplesWeb工程，并看看它是如何加到这个Context容器中的。
清单2.给Tomcat增加一个Web工程
Tomcattomcat=getTomcatInstance（）;
FileappDir=newFile（getBuildDirectory（）,"webapps/examples"）;
tomcat.addWebapp（null,"/examples",appDir.getAbsolutePath（））;
tomcat.start（）;
ByteChunkres=getUrl（"http:
//localhost:
"+getPort（）+
"/examples/servlets/servlet/HelloWorldExample"）;
assertTrue（res.toString（）.indexOf（"
HelloWorld!
"）>0）;
清单1的代码是创建一个Tomcat实例并新增一个Web应用，然后启动Tomcat并调用其中的一个HelloWorldExampleServlet，看有没有正确返回预期的数据。
Tomcat的addWebapp方法的代码如下：
清单3.Tomcat.addWebapp
publicContextaddWebapp（Hosthost,Stringurl,Stringpath）{
silence（url）;
Contextctx=newStandardContext（）;
ctx.setPath（url）;
ctx.setDocBase（path）;
if（defaultRealm==null）{
initSimpleAuth（）;
}
ctx.setRealm（defaultRealm）;
ctx.addLifecycleListener（newDefaultWebXmlListener（））;
ContextConfigctxCfg=newContextConfig（）;
ctx.addLifecycleListener（ctxCfg）;
ctxCfg.setDefaultWebXml（"org/apache/catalin/startup/NO_DEFAULT_XML"）;
if（host==null）{
getHost（）.addChild（ctx）;
}else{
host.addChild（ctx）;
}
returnctx;
}
前面已经介绍了一个Web应用对应一个Context容器，也就是Servlet运行时的Servlet容器，添加一个Web应用时将会创建一个StandardContext容器，并且给这个Context容器设置必要的参数，url和path分别代表这个应用在Tomcat中的访问路径和这个应用实际的物理路径，这个两个参数与清单1中的两个参数是一致的。
其中最重要的一个配置是ContextConfig，这个类将会负责整个Web应用配置的解析工作，后面将会详细介绍。
最后将这个Context容器加到父容器Host中。
接下去将会调用Tomcat的start方法启动Tomcat，如果你清楚Tomcat的系统架构，你会容易理解Tomcat的启动逻辑，Tomcat的启动逻辑是基于观察者模式设计的，所有的容器都会继承Lifecycle接口，它管理者容器的整个生命周期，所有容器的的修改和状态的改变都会由它去通知已经注册的观察者（Listener），关于这个设计模式可以参考《Tomcat的系统架构与设计模式，第二部分：
设计模式》。
Tomcat启动的时序图可以用图2表示。
图2.Tomcat主要类的启动时序图（查看大图）
上图描述了Tomcat启动过程中，主要类之间的时序关系，下面我们将会重点关注添加examples应用所对应的StandardContext容器的启动过程。
当Context容器初始化状态设为init时，添加在Contex容器的Listener将会被调用。
ContextConfig继承了LifecycleListener接口，它是在调用清单3时被加入到StandardContext容器中。
ContextConfig类会负责整个Web应用的配置文件的解析工作。
ContextConfig的init方法将会主要完成以下工作：
创建用于解析xml配置文件的contextDigester对象
读取默认context.xml配置文件，如果存在解析它
读取默认Host配置文件，如果存在解析它
读取默认Context自身的配置文件，如果存在解析它
设置Context的DocBase
ContextConfig的init方法完成后，Context容器的会执行startInternal方法，这个方法启动逻辑比较复杂，主要包括如下几个部分：
创建读取资源文件的对象
创建ClassLoader对象
设置应用的工作目录
启动相关的辅助类如：
logger、realm、resources等
修改启动状态，通知感兴趣的观察者（Web应用的配置）
子容器的初始化
获取ServletContext并设置必要的参数
初始化“loadonstartup”的Servlet
Web应用的初始化工作
Web应用的初始化工作是在ContextConfig的configureStart方法中实现的，应用的初始化主要是要解析web.xml文件，这个文件描述了一个Web应用的关键信息，也是一个Web应用的入口。
Tomcat首先会找globalWebXml这个文件的搜索路径是在engine的工作目录下寻找以下两个文件中的任一个org/apache/catalin/startup/NO_DEFAULT_XML或conf/web.xml。
接着会找hostWebXml这个文件可能会在System.getProperty（"catalina.base"）/conf/${EngineName}/${HostName}/web.xml.default，接着寻找应用的配置文件examples/WEB-INF/web.xml。
web.xml文件中的各个配置项将会被解析成相应的属性保存在WebXml对象中。
如果当前应用支持Servlet3.0，解析还将完成额外9项工作，这个额外的9项工作主要是为Servlet3.0新增的特性，包括jar包中的META-INF/web-fragment.xml的解析以及对annotations的支持。
接下去将会将WebXml对象中的属性设置到Context容器中，这里包括创建Servlet对象、filter、listener等等。
这段代码在WebXml的configureContext方法中。
下面是解析Servlet的代码片段：
清单4.创建Wrapper实例
for（ServletDefservlet:
servlets.values（））{
Wrapperwrapper=context.createWrapper（）;
StringjspFile=servlet.getJspFile（）;
if（jspFile!
=null）{
wrapper.setJspFile（jspFile）;
}
if（servlet.getLoadOnStartup（）!
=null）{
wrapper.setLoadOnStartup（servlet.getLoadOnStartup（）.intValue（））;
}
if（servlet.getEnabled（）!
=null）{
wrapper.setEnabled（servlet.getEnabled（）.booleanValue（））;
}
wrapper.setName（servlet.getServletName（））;
Mapparams=servlet.getParameterMap（）;
for（Entryentry:
params.entrySet（））{
wrapper.addInitParameter（entry.getKey（）,entry.getValue（））;
}
wrapper.setRunAs（servlet.getRunAs（））;
SetroleRefs=servlet.getSecurityRoleRefs（）;
for（SecurityRoleRefroleRef:
roleRefs）{
wrapper.addSecurityReference（
roleRef.getName（）,roleRef.getLink（））;
}
wrapper.setServletClass（servlet.getServletClass（））;
MultipartDefmultipartdef=servlet.getMultipartDef（）;
if（multipartdef!
=null）{
if（multipartdef.getMaxFileSize（）!
=null&&
multipartdef.getMaxRequestSize（）!
=null&&
multipartdef.getFileSizeThreshold（）!
=null）{
wrapper.setMultipartConfigElement（new
MultipartConfigElement（
multipartdef.getLocation（）,
Long.parseLong（multipartdef.getMaxFileSize（））,
Long.parseLong（multipartdef.getMaxRequestSize（））,
Integer.parseInt（
multipartdef.getFileSizeThreshold（））））;
}else{
wrapper.setMultipartConfigElement（new
MultipartConfigElement（
multipartdef.getLocation（）））;
}
}
if（servlet.getAsyncSupported（）!
=null）{
wrapper.setAsyncSupported（
servlet.getAsyncSupported（）.booleanValue（））;
}
context.addChild（wrapper）;
}
这段代码清楚的描述了如何将Servlet包装成Context容器中的StandardWrapper，这里有个疑问，为什么要将Servlet包装成StandardWrapper而不直接是Servlet对象。
这里StandardWrapper是Tomcat容器中的一部分，它具有容器的特征，而Servlet为了一个独立的web开发标准，不应该强耦合在Tomcat中。
除了将Servlet包装成StandardWrapper并作为子容器添加到Context中，其它的所有web.xml属性都被解析到Context中，所以说Context容器才是真正运行Servlet的Servlet容器。
一个Web应用对应一个Context容器，容器的配置属性由应用的web.xml指定，这样我们就能理解web.xml到底起到什么作用了。
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创建Servlet实例
前面已经完成了Servlet的解析工作，并且被包装成StandardWrapper添加在Context容器中，但是它仍然不能为我们工作，它还没有被实例化。
下面我们将介绍Servlet对象是如何创建的，以及如何被初始化的。
创建Servlet对象
如果Servlet的load-on-startup配置项大于0，那么在Context容器启动的时候就会被实例化，前面提到在解析配置文件时会读取默认的globalWebXml，在conf下的web.xml文件中定义了一些默认的配置项，其定义了两个Servlet，分别是：
org.apache.catalina.servlets.DefaultServlet和org.apache.jasper.servlet.JspServlet它们的load-on-startup分别是1和3，也就是当Tomcat启动时这两个Servlet就会被启动。
创建Servlet实例的方法是从Wrapper.loadServlet开始的。
loadServlet方法要完成的就是获取servletClass然后把它交给InstanceManager去创建一个基于servletClass.class的对象。
如果这个Servlet配置了jsp-file，那么这个servletClass就是conf/web.xml中定义的org.apache.jasper.servlet.JspServlet了。
创建Servlet对象的相关类结构图如下：
图3.创建Servlet对象的相关类结构
初始化Servlet
初始化Servlet在StandardWrapper的initServlet方法中，这个方法很简单就是调用Servlet的init的方法，同时把包装了StandardWrapper对象的StandardWrapperFacade作为ServletConfig传给Servlet。
Tomcat容器为何要传StandardWrapperFacade给Servlet对象将在后面做详细解析。
如果该Servlet关联的是一个jsp文件，那么前面初始化的就是JspServlet，接下去会模拟一次简单请求，请求调用这个jsp文件，以便编译这个jsp文件为class，并初始化这个class。
这样Servlet对象就初始化完成了，事实上Servlet从被web.xml中解析到完成初始化，这个过程非常复杂，中间有很多过程，包括各种容器状态的转化引起的监听事件的触发、各种访问权限的控制和一些不可预料的错误发生的判断行为等等。
我们这里只抓了一些关键环节进行阐述，试图让大家有个总体脉络。
下面是这个过程的一个完整的时序图，其中也省略了一些细节。
图4.初始化Servlet的时序图（查看大图）
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Servlet体系结构
我们知道JavaWeb应用是基于Servlet规范运转的，那么Servlet本身又是如何运转的呢？
为何要设计这样的体系结构。
图5.Servlet顶层类关联图
从上图可以看出Servlet规范就是基于这几个类运转的，与Servlet主动关联的是三个类，分别是ServletConfig、ServletRequest和ServletResponse。
这三个类都是通过容器传递给Servlet的，其中ServletConfig是在Servlet初始化时就传给Servlet了，而后两个是在请求达到时调用Servlet时传递过来的。
我们很清楚ServletRequest和ServletResponse在Servlet运行的意义，但是ServletConfig和ServletContext对Servlet有何价值？
仔细查看ServletConfig接口中声明的方法发现，这些方法都是为了获取这个Servlet的一些配置属性，而这些配置属性可能在Servlet运行时被用到。
而ServletContext又是干什么的呢？
Servlet的运行模式是一个典型的“握手型的交互式”运行模式。
所谓“握手型的交互式”就是两个模块为了交换数据通常都会准备一个交易场景，这个场景一直跟随个这个交易过程直到这个交易完成为止。
这个交易场景的初始化是根据这次交易对象指定的参数来定制的，这些指定参数通常就会是一个配置类。
所以对号入座，交易场景就由ServletContext来描述，而定制的参数集合就由ServletConfig来描述。
而ServletRequest和ServletResponse就是要交互的具体对象了，它们通常都是作为运输工具来传递交互结果。
ServletConfig是在Servletinit时由容器传过来的，那么ServletConfig到底是个什么对象呢？
下图是ServletConfig和ServletContext在Tomcat容器中的类关系图。
图6.ServletConfig在容器中的类关联图
上图可以看出StandardWrapper和StandardWrapperFacade都实现了ServletConfig接口，而StandardWrapperFacade是StandardWrapper门面类。
所以传给Servlet的是StandardWrapperFacade对象，这个类能够保证从StandardWrapper中拿到ServletConfig所规定的数据，而又不把ServletConfig不关心的数据暴露给Servlet。
同样ServletContext也与ServletConfig有类似的结构，Servlet中能拿到的ServletContext的实际对象也是ApplicationContextFacade对象。
ApplicationContextFacade同样保证ServletContex只能从容器中拿到它该拿的数据，它们都起到对数据的封装作用，它们使用的都是门面设计模式。
通过ServletContext可以拿到Context容器中一些必要信息，比如应用的工作路径，容器支持的Servlet最小版本等。
Servlet中定义的两个ServletRequest和ServletResponse它们实际的对象又是什么呢？
，我们在创建自己的Servlet类时通常使用的都是HttpServletRequest和HttpServletResponse，它们继承了ServletRequest和ServletResponse。
为何Context容器传过来的ServletRequest、ServletResponse可以被转化为HttpServletRequest和HttpServletResponse呢？
图7.Request相关类结构图
上图是Tomcat创建的Request和Response的类结构图。
Tomcat一接受到请求首先将会创建org.apache.coyote.Request和org.apache.coyote.Response，这两个类是Tomcat内部使用的描述一次请求和相应的信息类它们是一个轻量级的类，它们作用就是在服务器接收到请求后，经过简单解析将这个请求快速的分配
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