servlet原理详解
從 Servlet 容器說起
要介紹 Servlet 必須要先把 Servlet 容器說清楚，Servlet 與 Servlet 容器的關系有點像槍和子彈的關系，槍是為子彈而生，而子彈又讓槍有了殺傷力。雖然它們是彼此依存的，但是又相互獨立發展，這一切都是為了適應工業化生產的結果。從技術角度來說是為了解耦，通過標準化接口來相互協作。既然接口是連接 Servlet 與 Servlet 容器的關鍵，那我們就從它們的接口說起。
前面說了 Servlet 容器作為一個獨立發展的標準化產品，目前它的種類很多，但是它們都有自己的市場定位，很難說誰優誰劣，各有特點。例如現在比較流行的 Jetty，在定制化和移動領域有不錯的發展，我們這里還是以大家最為熟悉 Tomcat 為例來介紹 Servlet 容器如何管理 Servlet。Tomcat 本身也很復雜，我們只從 Servlet 與 Servlet 容器的接口部分開始介紹，關于 Tomcat 的詳細介紹可以參考我的另外一篇文章《 Tomcat 系統架構與模式設計分析》。
Tomcat 的容器等級中，Context 容器是直接管理 Servlet 在容器中的包裝類 Wrapper，所以 Context 容器如何運行將直接影響 Servlet 的工作方式。
圖 1 . Tomcat 容器模型
從上圖可以看出 Tomcat 的容器分為四個等級，真正管理 Servlet 的容器是 Context 容器，一個 Context 對應一個 Web 工程，在 Tomcat 的配置文件中可以很容易發現這一點，如下：
清單 1 Context 配置參數
下面詳細介紹一下 Tomcat 解析 Context 容器的過程，包括如何構建 Servlet 的過程。
Servlet 容器的啟動過程
Tomcat7 也開始支持嵌入式功能，增加了一個啟動類 org.apache.catalina.startup.Tomcat。創建一個實例對象并調用 start 方法就可以很容易啟動 Tomcat，我們還可以通過這個對象來增加和修改 Tomcat 的配置參數，如可以動態增加 Context、Servlet 等。下面我們就利用這個 Tomcat 類來管理新增的一個 Context 容器，我們就選擇 Tomcat7 自帶的 examples Web 工程，并看看它是如何加到這個 Context 容器中的。
清單 2 . 給 Tomcat 增加一個 Web 工程
清單 1 的代碼是創建一個 Tomcat 實例并新增一個 Web 應用，然后啟動 Tomcat 并調用其中的一個 HelloWorldExample Servlet，看有沒有正確返回預期的數據。
Tomcat 的 addWebapp 方法的代碼如下：
清單 3 .Tomcat.addWebapp
前面已經介紹了一個 Web 應用對應一個 Context 容器，也就是 Servlet 運行時的 Servlet 容器，添加一個 Web 應用時將會創建一個 StandardContext 容器，并且給這個 Context 容器設置必要的參數，url 和 path 分別代表這個應用在 Tomcat 中的訪問路徑和這個應用實際的物理路徑，這個兩個參數與清單 1 中的兩個參數是一致的。其中最重要的一個配置是 ContextConfig，這個類將會負責整個 Web 應用配置的解析工作，后面將會詳細介紹。最后將這個 Context 容器加到父容器 Host 中。
接下去將會調用 Tomcat 的 start 方法啟動 Tomcat，如果你清楚 Tomcat 的系統架構，你會容易理解 Tomcat 的啟動邏輯，Tomcat 的啟動邏輯是基于觀察者模式設計的，所有的容器都會繼承 Lifecycle 接口，它管理者容器的整個生命周期，所有容器的的修改和狀態的改變都會由它去通知已經注冊的觀察者（Listener），關于這個設計模式可以參考《 Tomcat 的系統架構與設計模式，第二部分：設計模式》。Tomcat 啟動的時序圖可以用圖 2 表示。
圖 2. Tomcat 主要類的啟動時序圖
上圖描述了 Tomcat 啟動過程中，主要類之間的時序關系，下面我們將會重點關注添加 examples 應用所對應的 StandardContext 容器的啟動過程。
當 Context 容器初始化狀態設為 init 時，添加在 Contex 容器的 Listener 將會被調用。ContextConfig 繼承了 LifecycleListener 接口，它是在調用清單 3 時被加入到 StandardContext 容器中。ContextConfig 類會負責整個 Web 應用的配置文件的解析工作。
ContextConfig 的 init 方法將會主要完成以下工作：
ContextConfig 的 init 方法完成后，Context 容器的會執行 startInternal 方法，這個方法啟動邏輯比較復雜，主要包括如下幾個部分：
Web 應用的初始化工作
Web 應用的初始化工作是在 ContextConfig 的 configureStart 方法中實現的，應用的初始化主要是要解析 web.xml 文件，這個文件描述了一個 Web 應用的關鍵信息，也是一個 Web 應用的入口。
Tomcat 首先會找 globalWebXml 這個文件的搜索路徑是在 engine 的工作目錄下尋找以下兩個文件中的任一個 org/apache/catalin/startup/NO_DEFAULT_XML 或 conf/web.xml。接著會找 hostWebXml 這個文件可能會在 System.getProperty("catalina.base")/conf/${EngineName}/${HostName}/web.xml.default，接著尋找應用的配置文件 examples/WEB-INF/web.xml。web.xml 文件中的各個配置項將會被解析成相應的屬性保存在 WebXml 對象中。如果當前應用支持 Servlet3.0，解析還將完成額外 9 項工作，這個額外的 9 項工作主要是為 Servlet3.0 新增的特性，包括 jar 包中的 META-INF/web-fragment.xml 的解析以及對 annotations 的支持。
接下去將會將 WebXml 對象中的屬性設置到 Context 容器中，這里包括創建 Servlet 對象、filter、listener 等等。這段代碼在 WebXml 的 configureContext 方法中。下面是解析 Servlet 的代碼片段：
清單 4. 創建 Wrapper 實例
這段代碼清楚的描述了如何將 Servlet 包裝成 Context 容器中的 StandardWrapper，這里有個疑問，為什么要將 Servlet 包裝成 StandardWrapper 而不直接是 Servlet 對象。這里 StandardWrapper 是 Tomcat 容器中的一部分，它具有容器的特征，而 Servlet 為了一個獨立的 web 開發標準，不應該強耦合在 Tomcat 中。
除了將 Servlet 包裝成 StandardWrapper 并作為子容器添加到 Context 中，其它的所有 web.xml 屬性都被解析到 Context 中，所以說 Context 容器才是真正運行 Servlet 的 Servlet 容器。一個 Web 應用對應一個 Context 容器，容器的配置屬性由應用的 web.xml 指定，這樣我們就能理解 web.xml 到底起到什么作用了。
創建 Servlet 實例
前面已經完成了 Servlet 的解析工作，并且被包裝成 StandardWrapper 添加在 Context 容器中，但是它仍然不能為我們工作，它還沒有被實例化。下面我們將介紹 Servlet 對象是如何創建的，以及如何被初始化的。
創建 Servlet 對象
如果 Servlet 的 load-on-startup 配置項大于 0，那么在 Context 容器啟動的時候就會被實例化，前面提到在解析配置文件時會讀取默認的 globalWebXml，在 conf 下的 web.xml 文件中定義了一些默認的配置項，其定義了兩個 Servlet，分別是：org.apache.catalina.servlets.DefaultServlet 和 org.apache.jasper.servlet.JspServlet 它們的 load-on-startup 分別是 1 和 3，也就是當 Tomcat 啟動時這兩個 Servlet 就會被啟動。
創建 Servlet 實例的方法是從 Wrapper. loadServlet 開始的。loadServlet 方法要完成的就是獲取 servletClass 然后把它交給 InstanceManager 去創建一個基于 servletClass.class 的對象。如果這個 Servlet 配置了 jsp-file，那么這個 servletClass 就是 conf/web.xml 中定義的 org.apache.jasper.servlet.JspServlet 了。
創建 Servlet 對象的相關類結構圖如下：
圖 3. 創建 Servlet 對象的相關類結構
初始化 Servlet
初始化 Servlet 在 StandardWrapper 的 initServlet 方法中，這個方法很簡單就是調用 Servlet 的 init 的方法，同時把包裝了 StandardWrapper 對象的 StandardWrapperFacade 作為 ServletConfig 傳給 Servlet。Tomcat 容器為何要傳 StandardWrapperFacade 給 Servlet 對象將在后面做詳細解析。
如果該 Servlet 關聯的是一個 jsp 文件，那么前面初始化的就是 JspServlet，接下去會模擬一次簡單請求，請求調用這個 jsp 文件，以便編譯這個 jsp 文件為 class，并初始化這個 class。
這樣 Servlet 對象就初始化完成了，事實上 Servlet 從被 web.xml 中解析到完成初始化，這個過程非常復雜，中間有很多過程，包括各種容器狀態的轉化引起的監聽事件的觸發、各種訪問權限的控制和一些不可預料的錯誤發生的判斷行為等等。我們這里只抓了一些關鍵環節進行闡述，試圖讓大家有個總體脈絡。
下面是這個過程的一個完整的時序圖，其中也省略了一些細節。
圖 4. 初始化 Servlet 的時序圖
Servlet 體系結構
我們知道 Java Web 應用是基于 Servlet 規范運轉的，那么 Servlet 本身又是如何運轉的呢？為何要設計這樣的體系結構。
圖 5.Servlet 頂層類關聯圖
從上圖可以看出 Servlet 規范就是基于這幾個類運轉的，與 Servlet 主動關聯的是三個類，分別是 ServletConfig、ServletRequest 和 ServletResponse。這三個類都是通過容器傳遞給 Servlet 的，其中 ServletConfig 是在 Servlet 初始化時就傳給 Servlet 了，而后兩個是在請求達到時調用 Servlet 時傳遞過來的。我們很清楚 ServletRequest 和 ServletResponse 在 Servlet 運行的意義，但是 ServletConfig 和 ServletContext 對 Servlet 有何價值？仔細查看 ServletConfig 接口中聲明的方法發現，這些方法都是為了獲取這個 Servlet 的一些配置屬性，而這些配置屬性可能在 Servlet 運行時被用到。而 ServletContext 又是干什么的呢？ Servlet 的運行模式是一個典型的“握手型的交互式”運行模式。所謂“握手型的交互式”就是兩個模塊為了交換數據通常都會準備一個交易場景，這個場景一直跟隨個這個交易過程直到這個交易完成為止。這個交易場景的初始化是根據這次交易對象指定的參數來定制的，這些指定參數通常就會是一個配置類。所以對號入座，交易場景就由 ServletContext 來描述，而定制的參數集合就由 ServletConfig 來描述。而 ServletRequest 和 ServletResponse 就是要交互的具體對象了，它們通常都是作為運輸工具來傳遞交互結果。
ServletConfig 是在 Servlet init 時由容器傳過來的，那么 ServletConfig 到底是個什么對象呢？
下圖是 ServletConfig 和 ServletContext 在 Tomcat 容器中的類關系圖。
圖 6. ServletConfig 在容器中的類關聯圖
上圖可以看出 StandardWrapper 和 StandardWrapperFacade 都實現了 ServletConfig 接口，而 StandardWrapperFacade 是 StandardWrapper 門面類。所以傳給 Servlet 的是 StandardWrapperFacade 對象，這個類能夠保證從 StandardWrapper 中拿到 ServletConfig 所規定的數據，而又不把 ServletConfig 不關心的數據暴露給 Servlet。
同樣 ServletContext 也與 ServletConfig 有類似的結構，Servlet 中能拿到的 ServletContext 的實際對象也是 ApplicationContextFacade 對象。ApplicationContextFacade 同樣保證 ServletContex 只能從容器中拿到它該拿的數據，它們都起到對數據的封裝作用，它們使用的都是門面設計模式。
通過 ServletContext 可以拿到 Context 容器中一些必要信息，比如應用的工作路徑，容器支持的 Servlet 最小版本等。
Servlet 中定義的兩個 ServletRequest 和 ServletResponse 它們實際的對象又是什么呢？，我們在創建自己的 Servlet 類時通常使用的都是 HttpServletRequest 和 HttpServletResponse，它們繼承了 ServletRequest 和 ServletResponse。為何 Context 容器傳過來的 ServletRequest、ServletResponse 可以被轉化為 HttpServletRequest 和 HttpServletResponse 呢？
圖 7.Request 相關類結構圖
上圖是 Tomcat 創建的 Request 和 Response 的類結構圖。Tomcat 一接受到請求首先將會創建 org.apache.coyote.Request 和 org.apache.coyote.Response，這兩個類是 Tomcat 內部使用的描述一次請求和相應的信息類它們是一個輕量級的類，它們作用就是在服務器接收到請求后，經過簡單解析將這個請求快速的分配給后續線程去處理，所以它們的對象很小，很容易被 JVM 回收。接下去當交給一個用戶線程去處理這個請求時又創建 org.apache.catalina.connector. Request 和 org.apache.catalina.connector. Response 對象。這兩個對象一直穿越整個 Servlet 容器直到要傳給 Servlet，傳給 Servlet 的是 Request 和 Response 的門面類 RequestFacade 和 RequestFacade，這里使用門面模式與前面一樣都是基于同樣的目的——封裝容器中的數據。一次請求對應的 Request 和 Response 的類轉化如下圖所示：
圖 8.Request 和 Response 的轉變過程
Servlet 如何工作
我們已經清楚了 Servlet 是如何被加載的、Servlet 是如何被初始化的，以及 Servlet 的體系結構，現在的問題就是它是如何被調用的。
當用戶從瀏覽器向服務器發起一個請求，通常會包含如下信息：http://hostname: port /contextpath/servletpath，hostname 和 port 是用來與服務器建立 TCP 連接，而后面的 URL 才是用來選擇服務器中那個子容器服務用戶的請求。那服務器是如何根據這個 URL 來達到正確的 Servlet 容器中的呢？
Tomcat7.0 中這件事很容易解決，因為這種映射工作有專門一個類來完成的，這個就是 org.apache.tomcat.util.http.mapper，這個類保存了 Tomcat 的 Container 容器中的所有子容器的信息，當 org.apache.catalina.connector. Request 類在進入 Container 容器之前，mapper 將會根據這次請求的 hostnane 和 contextpath 將 host 和 context 容器設置到 Request 的 mappingData 屬性中。所以當 Request 進入 Container 容器之前，它要訪問那個子容器這時就已經確定了。
圖 9.Request 的 Mapper 類關系圖
可能你有疑問，mapper 中怎么會有容器的完整關系，這要回到圖 2 中 19 步 MapperListener 類的初始化過程，下面是 MapperListener 的 init 方法代碼 :
清單 5. MapperListener.init
這段代碼的作用就是將 MapperListener 類作為一個監聽者加到整個 Container 容器中的每個子容器中，這樣只要任何一個容器發生變化，MapperListener 都將會被通知，相應的保存容器關系的 MapperListener 的 mapper 屬性也會修改。for 循環中就是將 host 及下面的子容器注冊到 mapper 中。
圖 10.Request 在容器中的路由圖
上圖描述了一次 Request 請求是如何達到最終的 Wrapper 容器的，我們現正知道了請求是如何達到正確的 Wrapper 容器，但是請求到達最終的 Servlet 還要完成一些步驟，必須要執行 Filter 鏈，以及要通知你在 web.xml 中定義的 listener。
接下去就要執行 Servlet 的 service 方法了，通常情況下，我們自己定義的 servlet 并不是直接去實現 javax.servlet.servlet 接口，而是去繼承更簡單的 HttpServlet 類或者 GenericServlet 類，我們可以有選擇的覆蓋相應方法去實現我們要完成的工作。
Servlet 的確已經能夠幫我們完成所有的工作了，但是現在的 web 應用很少有直接將交互全部頁面都用 servlet 來實現，而是采用更加高效的 MVC 框架來實現。這些 MVC 框架基本的原理都是將所有的請求都映射到一個 Servlet，然后去實現 service 方法，這個方法也就是 MVC 框架的入口。
當 Servlet 從 Servlet 容器中移除時，也就表明該 Servlet 的生命周期結束了，這時 Servlet 的 destroy 方法將被調用，做一些掃尾工作。
Session 與 Cookie
前面我們已經說明了 Servlet 如何被調用，我們基于 Servlet 來構建應用程序，那么我們能從 Servlet 獲得哪些數據信息呢？
Servlet 能夠給我們提供兩部分數據，一個是在 Servlet 初始化時調用 init 方法時設置的 ServletConfig，這個類基本上含有了 Servlet 本身和 Servlet 所運行的 Servlet 容器中的基本信息。根據前面的介紹 ServletConfig 的實際對象是 StandardWrapperFacade，到底能獲得哪些容器信息可以看看這類提供了哪些接口。還有一部分數據是由 ServletRequest 類提供，它的實際對象是 RequestFacade，從提供的方法中發現主要是描述這次請求的 HTTP 協議的信息。所以要掌握 Servlet 的工作方式必須要很清楚 HTTP 協議，如果你還不清楚趕緊去找一些參考資料。關于這一塊還有一個讓很多人迷惑的 Session 與 Cookie。
Session 與 Cookie 不管是對 Java Web 的熟練使用者還是初學者來說都是一個令人頭疼的東西。Session 與 Cookie 的作用都是為了保持訪問用戶與后端服務器的交互狀態。它們有各自的優點也有各自的缺陷。然而具有諷刺意味的是它們優點和它們的使用場景又是矛盾的，例如使用 Cookie 來傳遞信息時，隨著 Cookie 個數的增多和訪問量的增加，它占用的網絡帶寬也很大，試想假如 Cookie 占用 200 個字節，如果一天的 PV 有幾億的時候，它要占用多少帶寬。所以大訪問量的時候希望用 Session，但是 Session 的致命弱點是不容易在多臺服務器之間共享，所以這也限制了 Session 的使用。
不管 Session 和 Cookie 有什么不足，我們還是要用它們。下面詳細講一下，Session 如何基于 Cookie 來工作。實際上有三種方式能可以讓 Session 正常工作：
第一種情況下，當瀏覽器不支持 Cookie 功能時，瀏覽器會將用戶的 SessionCookieName 重寫到用戶請求的 URL 參數中，它的傳遞格式如 /path/Servlet;name=value;name2=value2? Name3=value3，其中“Servlet；”后面的 K-V 對就是要傳遞的 Path Parameters，服務器會從這個 Path Parameters 中拿到用戶配置的 SessionCookieName。關于這個 SessionCookieName，如果你在 web.xml 中配置 session-config 配置項的話，其 cookie-config 下的 name 屬性就是這個 SessionCookieName 值，如果你沒有配置 session-config 配置項，默認的 SessionCookieName 就是大家熟悉的“JSESSIONID”。接著 Request 根據這個 SessionCookieName 到 Parameters 拿到 Session ID 并設置到 request.setRequestedSessionId 中。
請注意如果客戶端也支持 Cookie 的話，Tomcat 仍然會解析 Cookie 中的 Session ID，并會覆蓋 URL 中的 Session ID。
如果是第三種情況的話將會根據 javax.servlet.request.ssl_session 屬性值設置 Session ID。
有了 Session ID 服務器端就可以創建 HttpSession 對象了，第一次觸發是通過 request. getSession() 方法，如果當前的 Session ID 還沒有對應的 HttpSession 對象那么就創建一個新的，并將這個對象加到 org.apache.catalina. Manager 的 sessions 容器中保存，Manager 類將管理所有 Session 的生命周期，Session 過期將被回收，服務器關閉，Session 將被序列化到磁盤等。只要這個 HttpSession 對象存在，用戶就可以根據 Session ID 來獲取到這個對象，也就達到了狀態的保持。
圖 11.Session 相關類圖
上從圖中可以看出從 request.getSession 中獲取的 HttpSession 對象實際上是 StandardSession 對象的門面對象，這與前面的 Request 和 Servlet 是一樣的原理。下圖是 Session 工作的時序圖：
圖 12.Session 工作的時序圖
還有一點與 Session 關聯的 Cookie 與其它 Cookie 沒有什么不同，這個配置的配置可以通過 web.xml 中的 session-config 配置項來指定。
Servlet 中的 Listener
整個 Tomcat 服務器中 Listener 使用的非常廣泛，它是基于觀察者模式設計的，Listener 的設計對開發 Servlet 應用程序提供了一種快捷的手段，能夠方便的從另一個縱向維度控制程序和數據。目前 Servlet 中提供了 5 種兩類事件的觀察者接口，它們分別是：4 個 EventListeners 類型的，ServletContextAttributeListener、ServletRequestAttributeListener、ServletRequestListener、HttpSessionAttributeListener 和 2 個 LifecycleListeners 類型的，ServletContextListener、HttpSessionListener。如下圖所示：
圖 13.Servlet 中的 Listener
它們基本上涵蓋了整個 Servlet 生命周期中，你感興趣的每種事件。這些 Listener 的實現類可以配置在 web.xml 中的 <listener> 標簽中。當然也可以在應用程序中動態添加 Listener，需要注意的是 ServletContextListener 在容器啟動之后就不能再添加新的，因為它所監聽的事件已經不會再出現。掌握這些 Listener 的使用，能夠讓我們的程序設計的更加靈活。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的servlet原理详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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