深入Jetty源码之Servlet框架及实现(Servlet、Filter、Registration)

概述

Servlet是Server Applet的缩写，即在服务器端运行的小程序，而Servlet框架则是对HTTP服务器(Servlet Container)和用户小程序中间层的标准化和抽象。这一层抽象隔离了HTTP服务器的实现细节，而Servlet规范定义了各个类的行为，从而保证了这些“服务器端运行的小程序”对服务器实现的无关性(即提升了其可移植性)。
在Servlet规范有以下几个核心类(接口)：
ServletContext：定义了一些可以和Servlet Container交互的方法。
Registration：实现Filter和Servlet的动态注册。
ServletRequest(HttpServletRequest)：对HTTP请求消息的封装。
ServletResponse(HttpServletResponse)：对HTTP响应消息的封装。
RequestDispatcher：将当前请求分发给另一个URL，甚至ServletContext以实现进一步的处理。
Servlet(HttpServlet)：所有“服务器小程序”要实现了接口，这些“服务器小程序”重写doGet、doPost、doPut、doHead、doDelete、doOption、doTrace等方法(HttpServlet)以实现响应请求的相关逻辑。
Filter(FilterChain)：在进入Servlet前以及出Servlet以后添加一些用户自定义的逻辑，以实现一些横切面相关的功能，如用户验证、日志打印等功能。
AsyncContext：实现异步请求处理。

Jetty中的Holder

在Jetty中，每个Servlet和其相关信息都由ServletHolder封装，并且将Servlet相关操作代理给ServletHolder；同理，对Filter也有FilterHolder与其相对应；另外ServletHolder和FilterHolder都继承自Holder实例。在Servlet 3.0中引入动态向ServletContext注册Servlet和Filter，并返回相应的Registration实例，用于进一步配置与其关联的Servlet和Filter，因而Registration也是和ServletHolde和FilterHolder相关联的接口。在Jetty中，他们的类关系图如下：

Servlet

Servlet和Filter是Servlet规范中用于定义用户逻辑实现的接口，Servlet是最初的版本，所有的“服务器端小程序”都要实现该接口，并交由Servlet Container管理其实例，负责其生命周期，以及当相应请求到来时调用相应方法。Servlet接口非常简单：

public interface Servlet {
    // Servlet Container在创建一个Servlet后调用该方法，并传入ServletConfig实例，从而用户可以在这个方法中做一些自定义的初始化工作，如初始化数据库连接等。
    // 并且Servlet Container可以保证一个Servlet实例init方法之后被调用一次，但是对一个Servlet类init方法可能会被多次调用，因而有些Servlet Container可能会在某些情况下将某些
    // Servlet移出Servlet Container，而后又重新加载这些Servlet，如为了在处理Servlet Container资源压力比较大的情况下。
    public void init(ServletConfig config) throws ServletException;

// 返回在init方法中传入的ServletConfig实例。ServletConfig包含了在web.xml配置文件中配置当前Servlet的初始化参数，并且可以使用该ServletConfig实例获取当前ServletContext实例。
    public ServletConfig getServletConfig();
    
    // 当该Servlet对应的请求到来时，Servlet Container会调用这个Servlet的service方法，用于处理请求，并将相应写入ServletResponse参数中，该方法只能在init方法完成后被调用。
    // 在service方法中，可以选择使用ServletResponse定义的方法返回响应给客户端，或只是向ServletResponse中写入响应，最终由Servlet Container根据ServletResponse的信息将响应返回给客户端。
    // 很多情况下，Servlet Container都不会使用多线程来处理客户请求，应该该方法会在多线程环境下被使用，Servlet实现者可以实现SingleThreadMode接口以强制该方法只在单线程的环境下被使用。
    // 但是SingleThreadMode接口已经在Servlet 2.3中被废弃，实现该接口也会影响Servlet的执行性能，而且有些Servlet Container会选择实例或多个Servlet实例，以保证对请求的响应性能，因而此时依然不能保证该方法的单线程特性，因而不建议使用这个SingleThreadMode接口。
    public void service(ServletRequest req, ServletResponse res) throws ServletException, IOException;
    
    // 返回当前Servlet的描述信息，如作者、版本号、版权等。在GenericServlet默认实现中，返回空字符串。
    public String getServletInfo();

// 当Servlet Container销毁当前Servlet时会调用该方法，从而给Servlet提供拥有清理当前Servlet占用的资源的地方，如关闭和数据库的连接等。
    // Servlet Container会保证该方法在所有执行service方法的线程完成或超时后被调用。Servlet Container一般会在三种情况下会调用该方法：
    // 1. Servlet Container当前资源比较紧张，需要将一些不再用或不常用的Servlet移出；2. 实现某些Servlet的热部署；3. 当前Web Application被停止。
    public void destroy();
}

对每个Servlet都有一个ServletConfig实例和其对应，ServletConfig中包含了在web.xml文件中定义的Servlet的init-param参数，并且可以使用ServletConfig实例获取ServletContext实例：

public interface ServletConfig {
    // 返回该ServletConfig对应的Servlet的名称，在web.xml文件中定义的Servlet名称或对于没有注册的Servlet为其类名。
    public String getServletName();

// 返回和其关联的ServletContext。
    public ServletContext getServletContext();
    
    // 返回在web.xml配置文件中定义或者使用ServletRegistration动态定义添加的init-param参数。
    public String getInitParameter(String name);
    public Enumeration<String> getInitParameterNames();
}

在Jetty中，不管是在web.xml中配置的Servlet还是使用ServletContext动态注册并使用ServletRegistration.Dynamic动态配置的Servlet，在ServletHandler内部都使用ServletHolder来表示一个Servlet，并且由ServletHolder来处理所有和Servlet相关的逻辑。ServletHolder的实现逻辑在之后给出。
Servlet框架中默认实现了两个Servlet：GenericServlet和HttpServlet，GenericServlet只是对Servlet的简单实现，而HttpServlet会根据请求中的方法将请求分发给相应的：doGet/doPost/doPut/doHead/doOptions/doTrace等方法，它还提供了getLastModified()方法，重写该方法用于实现条件GET。以上这些方法(除doOptions和doTrace已经有具体的逻辑实现)默认实现直接方法405 Method Not Allowed响应(Http/1.1)或404 Bad Request响应(HTTP/1.0)。重写相应的方法以实现各个Method对应的逻辑。

Filter

在Servlet 2.3开始引入了Filter机制，以在Servlet的service方法的执行前后添加一些公共的Filter逻辑，为面向切面的编程提供了很大的便利，这些公共的逻辑如纪录一个Request从进入Servlet Container到出所花费的总时间、为每个Request添加一些额外的信息以帮助之后处理、对所有或特定Request添加用户验证功能等。Filter可以在web.xml文件中定义，由Servlet Container负责其实例化、初始化以及doFilter方法的调用。在Servlet 3.0以后，还支持动态的给ServletContext注册Filter，并由返回的FilterRegistration.Dynamic实例做进一步的配置。Filter的接口定义也是比较简单：

public interface Filter {
    // 由ServletContainer在初始化一个Filter时调用，Filter的实现者可以在该方法中添加一些用户自定义的初始化逻辑，同时可以保存FilterConfig实例，它可以获取定义的init-param初始化参数以及获取ServletContext实例。其他情况和Servlet类似，不赘述。
    public void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException;
    
    // 每一次请求到来都会穿越配置的FilterChain，执行配置的Servlet，然后从这个FilterChain中返回。在doFilter方法的实现中，要调用下一个Filter，使用FilterChain的doFilter方法。
    // 在调用FilterChain的doFilter之前为执行请求之前的处理，而之后为请求已经执行完成，在响应返回的路上的逻辑处理。也可以步调用FilterChain的doFilter方法，以阻止请求的进一步处理。
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain)
            throws IOException, ServletException;

// 在Filter被移出Servlet Container时调用，它和Servlet类似，不赘述。**
    public void destroy();
}

Filter接口中包含对FilterConfig以及FilterChain的使用，FilterConfig和ServletConfig定义、实现以及逻辑都类似：

public interface FilterConfig {
    public String getFilterName();
    public ServletContext getServletContext();
    public String getInitParameter(String name);
    public Enumeration<String> getInitParameterNames();
}

FilterChain是Servlet中将Filter链以Channel的方式连接在一起的类，它实现了可以向执行Servlet前和后都添加一些切面逻辑，甚至阻止Servlet的执行，Filter的实现者使用FilterChain的doFilter方法调用在这个链中的下一个Filter的doFilter方法，如果当前Filter是链中最后一个Filter，则调用响应的Servlet。其接口定义如下：

public interface FilterChain {
    // 调用该方法会调用Filter链中的下一个Filter的doFilter方法，如果当前Filter是这条链中的最后一个Filter，则该方法会调用响应的Servlet的service方法。
    public void doFilter (ServletRequest request, ServletResponse response) throws IOException, ServletException;
}

在Jetty中，ServletHandler的内部类Chain实现了FilterChain接口，在构造Chain实例时，首先根据Request的URL以及对应Servlet Name查找所有相关的Filter列表，然后使用这个Filter列表、Request实例、当前请求对应的ServletHolder创建这个链，在其doFilter方法实现中，它会存储一个_filter索引，它指向下一个Filter实例，当每个Filter调用doFilter方法时，Chain会根据这个索引获取下一个Filter实例，并将该索引向后移动，从而调用下一个Filter的doFilter方法，如果这个索引值到达最后一个Filter链中的Filter，且有ServletHolder实例存在，则调用该ServletHolder的handle方法，否则调用notFound方法，即向客户端发送404 NOT FOUND响应。如果Filter不支持ASYNC模式，则在调用其doFilter之前，需要将Request的ASYNC支持设置为false。
在ServletHandler中还有CachedChain实现了FilterChain接口，它以链表的形式纪录找到的Filter列表，并将这个列表缓存在ServletHandler中，不同的dispatch类型有一个列表，并且可以根据请求的URL或请求的Servlet名来查找是否已经有缓存的Filter链表。
在ServletHandler中，可以使用setFilterChainsCached方法来配置是否使用CachedChain还是直接使用Chain，默认使用CachedChain。

Registration

Registration是Servlet 3.0规范中引入的接口，用于表示向ServletContext中动态注册的Servlet、Filter的实例，从而实现对这些动态注册的Servlet、Filter实例进行进一步的配置。 对于Servlet和Filter的配置，他们的共同点是他们有响应的Name、ClassName、Init Parameters以及asyncSupported属性，而这些方法正是Registration接口的定义。Registration接口将setAsyncSupport方法定义在其内部的Dynamic接口中，Dynamic用于表示这是用于动态的配置这个Servlet或Filter的含义，但是为什么要将这个方法放在Dynamic接口中呢？如何决定不同的方法应该是在Registration本身的接口中，而那些应该放到Dynamic接口中呢？

public interface Registration {
    // 返回这个Registration实例关联的Servlet或Filter的Name，这个Name在向ServletContext注册Servlet或Filter时给定。
    public String getName();

// 返回这个Registration实例关联的Servlet或Filter的类名。
    public String getClassName();

// 和这个Registration实例关联的初始化参数的操作。
    public boolean setInitParameter(String name, String value);
    public String getInitParameter(String name);
    public Set<String> setInitParameters(Map<String, String> initParameters);
    public Map<String, String> getInitParameters();

interface Dynamic extends Registration {
        // 配置Registration关联的Servlet或Filter是否支持异步操作。
        public void setAsyncSupported(boolean isAsyncSupported);
    }
}

Registration有两个子接口：ServletRegistration和FilterRegistration，分别用于表示Servlet相关的配置和Filter相关的配置。
对ServletRegistration，它可以设置Servlet的URL Mapping、RunAsRole属性、LoadOnStartup属性等：

public interface ServletRegistration extends Registration {
    // 添加URL patterns到这个ServletRegistration关联的Servlet的映射。如果有任意的URL patterns已经映射到其他的Servlet中，则该方法不会执行任何行为。
    public Set<String> addMapping(String... urlPatterns);

// 获取所有到当前ServletRegistration对应的Servlet的URL patterns。
    public Collection<String> getMappings();

// 获取当前ServletRegistration对应的Servlet的RunAsRole。
    public String getRunAsRole();

interface Dynamic extends ServletRegistration, Registration.Dynamic {
        // 设置当前ServletRegistration对应的Servlet的loadOnStartup等级。如果loadOnStartup大于或等于0，表示Servlet Container要优先初始化该Servlet，
        // 此时Servlet Container要在Container初始化时实例化并初始化该Servlet，即在所有注册的ContextListener的contextInitialized方法调用完成后。
        // 如果loadOnStartup小于0，则表示这个Servlet可以在用到的时候实例化并初始化。默认值为-1。
        public void setLoadOnStartup(int loadOnStartup);

// 设置ServletRegistration相关的ServletSecurityElement属性。
        public Set<String> setServletSecurity(ServletSecurityElement constraint);

// 设置ServletRegistration对应的Servlet的MultipartConfigElement属性。
        public void setMultipartConfig(MultipartConfigElement multipartConfig);

// 设置ServletRegistration对应的Servlet的RunAsRole属性。
        public void setRunAsRole(String roleName);
    }
}

对FilterRegistration，它可以配置Filter的URL Mapping和Servlet Mapping等：

public interface FilterRegistration extends Registration {
    // 添加FilterRegistration关联的Filter到Servlet的映射，使用Servlet Name、DispatcherType作为映射。isMatchAfter表示新添加的Mapping是在已有的Mapping之前还是之后。
    public void addMappingForServletNames(EnumSet<DispatcherType> dispatcherTypes, boolean isMatchAfter, String... servletNames);

// 获取当前FilterRegistration关联的Filter已存在的到Servlet Name的映射。
    public Collection<String> getServletNameMappings();

// 添加FilterRegistration关联的Filter到Servlet的映射，使用URL patterns、DispatcherType作为映射。isMatchAfter表示新添加的Mapping是在已有的Mapping之前还是之后。
    public void addMappingForUrlPatterns(EnumSet<DispatcherType> dispatcherTypes, boolean isMatchAfter, String... urlPatterns);

// 获取当前FilterRegistration关联的Filter已存在的到URL patterns的映射。
    public Collection<String> getUrlPatternMappings();

interface Dynamic extends FilterRegistration, Registration.Dynamic {
    }
}

在Jetty中对Registration的实现在Holder中定义，而相应的ServletRegistration和FilterRegistration实现作为ServletHolder和FilterHolder中的内部类实现，具体参考这两个类的实现。

Holder实现

在之前有提到，在Jetty中Servlet和Filter由相应的ServletHolder和FilterHolder封装，以将Servlet/Filter相关的信息和配置放在一起，并处理各自相关的逻辑，即面向对象设计中的将数据靠近操作。由于Servlet和Filter有一些相同的配置和逻辑，因而在ServletHolder和FilterHolder中提取出了Holder父类。在Holder的实现中，它主要定义了一些Servlet和Filter都要使用的字段，比高实现了所有和InitParameter相关的操作：

    public enum Source { EMBEDDED, JAVAX_API, DESCRIPTOR, ANNOTATION };
    final private Source _source;
    protected transient Class<? extends T> _class;
    protected final Map<String,String> _initParams=new HashMap<String,String>(3);
    protected String _className;
    protected String _displayName;
    protected boolean _extInstance;
    protected boolean _asyncSupported=true;
    protected String _name;
    protected ServletHandler _servletHandler;

Holder继承自AbstractLifeCycle，它在start时，如果_class字段没有被设置，则会使用ClassLoader加载_className中指定的类实例并赋值给_class字段；Source只是目前只是一种元数据的形式存在，用于表示Servlet或Filter的来源；而extInstance用于表示Servlet和Filter实例是直接通过ServletContext注册而来，而不是在当前Holder内部创建。
在Holder类中还定了两个内部类：HolderConfig和HolderRegistration，其中HoldConfig实现了ServletConfig/FilterConfig相关的所有InitParameter相关的操作(代理给Holder)；HolderRegistration实现了Registration.Dynamic接口，其实现也都代理给Holder类中的方法。

FilterHolder实现

FilterHolder实现比较简单，它直接继承自Holder类，它额外的包含了一下几个字段：

    private transient Filter _filter;
    private transient Config _config;
    private transient FilterRegistration.Dynamic _registration;

其中_filter字段在start时如果没有初始化，则使用ServletContext创建该Filter实例，而_config字段则在启动时直接创建Config实例(Config是FilterHolder的内部类，且它继承自HolderConfig，并实现了FilterConfig接口)，最后调用_filter.init()方法并传入_config实例。在stop时，调用_filter.destroy()方法从而该Filter有机会做一些清理工作，并且调用ServletHandler中的destroyFilter()方法，以通知ContextHandler中定义的Decorators。在注册外部实例化的Filter时，设置_extInstance为true，同时更新_class字段，以及_name字段(如果_name字段未被设置的话)。
最后，FilterHolder中还定义了Registration内部类，它继承自HolderRegistration，并实现了FilterRegistration.Dynamic接口。该Registration内部类实现了Mapping相关方法，Jetty中使用FilterMapping来表达一个Filter的映射关系。在FilterMapping中定义了一下映射关系：

    private int _dispatches=DEFAULT;
    private String _filterName;
    private transient FilterHolder _holder;
    private String[] _pathSpecs;
    private String[] _servletNames;

它包含了两个appliesTo()方法，这两个方法在Chain用于根据dispatcherType或dispatcherType以及path计算当前FilterMapping是否匹配给定的dispatcherType或dispatcherType和path。在对dispatcherType做匹配计算时，使用FilterMapping实例的没有设置dispatcherType集合，它依然匹配REQUEST或ASYNC(如果Filter支持ASYNC模式的话)。

    boolean appliesTo(int type) {
        if (_dispatches==0)
            return type==REQUEST || type==ASYNC && _holder.isAsyncSupported();
        return (_dispatches&type)!=0;
    }

ServletHolder实现

ServletHolder实现相对复杂，它继承自Holder类，并实现了UserIdentity.Scope接口以及Comparable接口，其中Comparable接口用于当ServletHandler在start时，对注册的所有ServletHolder的数组排序以决定他们的start顺序。它包含了一下额外的字段：

    private int _initOrder;
    private boolean _initOnStartup=false;
    private Map<String, String> _roleMap;
    private String _forcedPath;
    private String _runAsRole;
    private RunAsToken _runAsToken;
    private IdentityService _identityService;
    private ServletRegistration.Dynamic _registration;
    private transient Servlet _servlet;
    private transient Config _config;
    private transient long _unavailable;
    private transient UnavailableException _unavailableEx;
    public static final Map<String,String> NO_MAPPED_ROLES = Collections.emptyMap();

其中_initOrder为ServletRegistration.Dynamic接口的实现，它定义ServletHolder在ServletHandler中的start顺序，即compareTo()方法的实现的主要参考信息。在Jetty中，只要设置了loadOnStart字段，则它就会在start时被初始化(即使设置的值为负数)。在设置外部Servlet实例直接到ServletHolder中时，_extInstance字段为被设置为true。如果在web.xml中的Servlet定义中有jsp-file定义，则设置该ServletHolder的forcePath值为该jsp-file中定义的值，而其className的值为servlet-class的定义，此时在ServletHolder的handle方法中会将forcePath的值设置到Request的org.apache.catalina.jsp_file属性中(这个设置用来干嘛呢？还不了解。。。)；在ServletHolder启动时，如果Servlet实例实现了SingleThreadModel接口，则Servlet实例使用SingleThreadedWrapper类来表示(它包含一个Servlet栈 ，对每次请求，它会复用以前已经创建的Servlet实例或者创建一个新的实例以处理当前的请求，即该Servlet会有多个实例)，如果_extInstance为true或者配置了loadOnStart属性，则在ServletHolder启动是就会初始化这个Servlet(实例化Servlet，并调用Servlet的init方法)。当一个请求到来时，ServletHolder调用其handle方法以处理该请求，在该方法中调用Servlet的service方法，如果在处理过程中出错了，则在Request中设置javax.servlet.error.servlet_name属性为ServletHolder的Name属性。

类似FilterMapping，Jetty也使用ServletMapping表达Servlet和URL pattern的映射关系：

    private String[] _pathSpecs;
    private String _servletName;

其他Security相关的字段和逻辑暂不做介绍。。。。。