Servlet 工作原理详解

Web 技术成为当今主流的互联网 Web 应用技术之一，而 Servlet 是 Java Web 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 Java Web 技术开发人员的基本要求。本文将带你认识 Java Web 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 1 Context 配置参数

 <Context path="/projectOne " docBase="D:\projects\projectOne" 
 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 examples Web 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

 Tomcat tomcat = getTomcatInstance(); 
 File appDir = new File(getBuildDirectory(), "webapps/examples"); 
 tomcat.addWebapp(null, "/examples", appDir.getAbsolutePath()); 
 tomcat.start(); 
 ByteChunk res = getUrl("http://localhost:" + getPort() + 
               "/examples/servlets/servlet/HelloWorldExample"); 
 assertTrue(res.toString().indexOf("<h1>Hello World!</h1>") > 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 HelloWorldExample Servlet，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

 public Context addWebapp(Host host, String url, String path) { 
        silence(url); 
        Context ctx = new StandardContext(); 
        ctx.setPath( url ); 
        ctx.setDocBase(path); 
        if (defaultRealm == null) { 
            initSimpleAuth(); 
        } 
        ctx.setRealm(defaultRealm); 
        ctx.addLifecycleListener(new DefaultWebXmlListener()); 
        ContextConfig ctxCfg = new ContextConfig(); 
        ctx.addLifecycleListener(ctxCfg); 
        ctxCfg.setDefaultWebXml("org/apache/catalin/startup/NO_DEFAULT_XML"); 
        if (host == null) { 
            getHost().addChild(ctx); 
        } else { 
            host.addChild(ctx); 
        } 
        return ctx; 
 }

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“load on startup”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 (ServletDef servlet : servlets.values()) { 
            Wrapper wrapper = context.createWrapper(); 
            String jspFile = 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()); 
            Map<String,String> params = servlet.getParameterMap(); 
            for (Entry<String, String> entry : params.entrySet()) { 
                wrapper.addInitParameter(entry.getKey(), entry.getValue()); 
            } 
            wrapper.setRunAs(servlet.getRunAs()); 
            Set<SecurityRoleRef> roleRefs = servlet.getSecurityRoleRefs(); 
            for (SecurityRoleRef roleRef : roleRefs) { 
                wrapper.addSecurityReference( 
                        roleRef.getName(), roleRef.getLink()); 
            } 
            wrapper.setServletClass(servlet.getServletClass()); 
            MultipartDef multipartdef = 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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