Servlet 规范和 Servlet 容器

浏览器发给服务端的是一个HTTP格式的请求,HTTP服务器收到这个请求后,需要调用服务端程序来处理,所谓的服务端程序就是你写的Java类,一般来说不同的请求需要由不同的Java类来处理。

那么问题来了,HTTP服务器怎么知道要调用哪个Java类的哪个方法呢。最直接的做法是在HTTP服务器代码里写一大堆if else逻辑判断:如果是A请求就调X类的M1方法,如果是B请求就调Y类的M2方法。但这样做明显有问题,因为HTTP服务器的代码跟业务逻辑耦合在一起了,如果新加一个业务方法还要改HTTP服务器的代码。

那该怎么解决这个问题呢?我们知道,面向接口编程是解决耦合问题的法宝,于是有一伙人就定义了一个接口,各种业务类都必须实现这个接口,这个接口就叫Servlet接口,有时我们也把实现了Servlet接口的业务类叫作Servlet。

但是这里还有一个问题,对于特定的请求,HTTP服务器如何知道由哪个Servlet来处理呢?Servlet又是由谁来实例化呢?显然HTTP服务器不适合做这个工作,否则又和业务类耦合了。

于是,还是那伙人又发明了Servlet容器,Servlet容器用来加载和管理业务类。HTTP服务器不直接跟业务类打交道,而是把请求交给Servlet容器去处理,Servlet容器会将请求转发到具体的Servlet,如果这个Servlet还没创建,就加载并实例化这个Servlet,然后调用这个Servlet的接口方法。因此Servlet接口其实是Servlet容器跟具体业务类之间的接口。下面我们通过一张图来加深理解。
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图的左边表示HTTP服务器直接调用具体业务类,它们是紧耦合的。再看图的右边,HTTP服务器不直接调用业务类,而是把请求交给容器来处理,容器通过Servlet接口调用业务类。因此Servlet接口和Servlet容器的出现,达到了HTTP服务器与业务类解耦的目的。

而Servlet接口和Servlet容器这一整套规范叫作Servlet规范。Tomcat和Jetty都按照Servlet规范的要求实现了Servlet容器,同时它们也具有HTTP服务器的功能。作为Java程序员,如果我们要实现新的业务功能,只需要实现一个Servlet,并把它注册到Tomcat(Servlet容器)中,剩下的事情就由Tomcat帮我们处理了。

接下来我们来看看Servlet接口具体是怎么定义的,以及Servlet规范又有哪些要重点关注的地方呢?

Servlet接口

Servlet接口定义了下面五个方法:

public interface Servlet {
    void init(ServletConfig config) throws ServletException;

    ServletConfig getServletConfig();

    void service(ServletRequest req, ServletResponse res)throws ServletException, IOException;

    String getServletInfo();

    void destroy();
}

其中最重要是的service方法,具体业务类在这个方法里实现处理逻辑。这个方法有两个参数:ServletRequest和ServletResponse。ServletRequest用来封装请求信息,ServletResponse用来封装响应信息,因此本质上这两个类是对通信协议的封装。

比如HTTP协议中的请求和响应就是对应了HttpServletRequest和HttpServletResponse这两个类。你可以通过HttpServletRequest来获取所有请求相关的信息,包括请求路径、Cookie、HTTP头、请求参数等。
你可以看到接口中还有两个跟生命周期有关的方法init和destroy,这是一个比较贴心的设计,Servlet容器在加载Servlet类的时候会调用init方法,在卸载的时候会调用destroy方法。我们可能会在init方法里初始化一些资源,并在destroy方法里释放这些资源,比如Spring MVC中的DispatcherServlet,就是在init方法里创建了自己的Spring容器。

你还会注意到ServletConfig这个类,ServletConfig的作用就是封装Servlet的初始化参数。你可以在web.xml给Servlet配置参数,并在程序里通过getServletConfig方法拿到这些参数。

我们知道,有接口一般就有抽象类,抽象类用来实现接口和封装通用的逻辑,因此Servlet规范提供了GenericServlet抽象类,我们可以通过扩展它来实现Servlet。虽然Servlet规范并不在乎通信协议是什么,但是大多数的Servlet都是在HTTP环境中处理的,因此Servet规范还提供了HttpServlet来继承GenericServlet,并且加入了HTTP特性。这样我们通过继承HttpServlet类来实现自己的Servlet。

Servlet容器

我在前面提到,为了解耦,HTTP服务器不直接调用Servlet,而是把请求交给Servlet容器来处理,那Servlet容器又是怎么工作的呢?接下来我会介绍Servlet容器大体的工作流程,一起来聊聊我们非常关心的两个话题:Web应用的目录格式是什么样的,以及我该怎样扩展和定制化Servlet容器的功能。

工作流程

当客户请求某个资源时,HTTP服务器会用一个ServletRequest对象把客户的请求信息封装起来,然后调用Servlet容器的service方法,Servlet容器拿到请求后,根据请求的URL和Servlet的映射关系,找到相应的Servlet,如果Servlet还没有被加载,就用反射机制创建这个Servlet,并调用Servlet的init方法来完成初始化,接着调用Servlet的service方法来处理请求,把ServletResponse对象返回给HTTP服务器,HTTP服务器会把响应发送给客户端。同样我通过一张图来帮助你理解。
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Web应用

Servlet容器会实例化和调用Servlet,那Servlet是怎么注册到Servlet容器中的呢?一般来说,我们是以Web应用程序的方式来部署Servlet的,而根据Servlet规范,Web应用程序有一定的目录结构,在这个目录下分别放置了Servlet的类文件、配置文件以及静态资源,Servlet容器通过读取配置文件,就能找到并加载Servlet。Web应用的目录结构大概是下面这样的:

| -  MyWebApp
      | -  WEB-INF/web.xml        -- 配置文件,用来配置Servlet| -  WEB-INF/lib/           -- 存放Web应用所需各种JAR包
      | -  WEB-INF/classes/       -- 存放你的应用类,比如Servlet| -  META-INF/              -- 目录存放工程的一些信息

Servlet规范里定义了ServletContext这个接口来对应一个Web应用。Web应用部署好后,Servlet容器在启动时会加载Web应用,并为每个Web应用创建唯一的ServletContext对象。你可以把ServletContext看成是一个全局对象,一个Web应用可能有多个Servlet,这些Servlet可以通过全局的ServletContext来共享数据,这些数据包括Web应用的初始化参数、Web应用目录下的文件资源等。由于ServletContext持有所有Servlet实例,你还可以通过它来实现Servlet请求的转发。

扩展机制

引入了Servlet规范后,你不需要关心Socket网络通信、不需要关心HTTP协议,也不需要关心你的业务类是如何被实例化和调用的,因为这些都被Servlet规范标准化了,你只要关心怎么实现的你的业务逻辑。这对于程序员来说是件好事,但也有不方便的一面。所谓规范就是说大家都要遵守,就会千篇一律,但是如果这个规范不能满足你的业务的个性化需求,就有问题了,因此设计一个规范或者一个中间件,要充分考虑到可扩展性。Servlet规范提供了两种扩展机制:Filter和Listener。

Filter是过滤器,这个接口允许你对请求和响应做一些统一的定制化处理,比如你可以根据请求的频率来限制访问,或者根据国家地区的不同来修改响应内容。过滤器的工作原理是这样的:Web应用部署完成后,Servlet容器需要实例化Filter并把Filter链接成一个FilterChain。当请求进来时,获取第一个Filter并调用doFilter方法,doFilter方法负责调用这个FilterChain中的下一个Filter。

Listener是监听器,这是另一种扩展机制。当Web应用在Servlet容器中运行时,Servlet容器内部会不断的发生各种事件,如Web应用的启动和停止、用户请求到达等。 Servlet容器提供了一些默认的监听器来监听这些事件,当事件发生时,Servlet容器会负责调用监听器的方法。当然,你可以定义自己的监听器去监听你感兴趣的事件,将监听器配置在web.xml中。比如Spring就实现了自己的监听器,来监听ServletContext的启动事件,目的是当Servlet容器启动时,创建并初始化全局的Spring容器。

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