Servlet工作原理解析

一、从servlet容器说起
        Servlet容器有很多种实现，比如：Jetty、Tomcat，这里以Tomcat为例介绍。在Tomcat的容器等级中，Context容器直接管理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。Tomcat容器模型如下图：
        
        从上图可以看出，Tomcat的容器分为4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地防线这一点：
       
        下面详细介绍Tomcat解析Context容器的过程，包括如何构建Servlet。
1、servlet容器的启动过程
        从Tomcat 7开始支持嵌入式功能，即增加了一个启动类org.apache.catalina.startup.Tomcat。创建一个实例对象并调用start方法就可以很容易地启动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。
        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，它管理着容器的整个生命周期，所有容器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）。Tomcat启动的时序图如下：
        
2、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。web.xml文件中的各个配置项将会解析成相应的属性保存在WebXml对象中。WebXml对象中的属性又会被设置到Context容器中，这里包括创建Servlet对象、filter、listener等，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。

二、创建servlet实例
1、创建servlet对象
        如果Servlet的load-on-startup配置项大于0，那么在Context容器启动时就会被实例化，默认会启动两个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。
        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去创建一个机遇servletClass.class的对象。如果这个Servlet配置了jsp-file，那么这个servletClass就是在conf/web.xml中定义的org.apache.jasper.servlet.JspServlet了。
2、初始化servlet
        初始化Servlet在StandardWrapper的initServlet方法中，这个方法调用Servlet的init()方法，同时把StandardWrapper对象的StandardWrapperFacade作为ServletConfig传给Servlet。如果该Servlet关联的是一个JSP文件，那么前面初始化的就是JspServlet，接下来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文件为类，并初始化这个类。这样Servlet对象就初始化完成了。

三、servlet体系结构
        Servlet顶层类的关联图如下：
        
        从上图可以看出，与Servlet主动关联三个类分别是ServletConfig、ServletRequest和ServletResponse。
        一次请求对应的Request和Response的类转化如下图：
        

四、servlet如何工作
        用户从浏览器向服务器发起的一个请求通常会包含如下信息：，hostname和port用来与服务器建立TCP连接，后面的URL才用来选择在服务器中哪个子容器服务用户的请求。在Tomcat中URL与Servlet容器通过类org.apache.tomcat.util.http.mapper来完成映射，Mapper会根据请求的hostname和contextpath将host和context容器设置到Request的mappingData属性中。
        Servlet能帮我们完成所有工作，但是现在的Web应用很少直接将交互的全部页面用Servlet来实现，而是采用更加高效的MVC框架来实现。这些MVC框架的基本原理是将所有的请求都映射到一个Servlet，然后去实现service方法，这个方法也就是MVC框架的入口。
        当Servlet从Servlet容器中移除时，也表明该Servlet的生命周期结束了，这时Servlet的destroy方法将被调用，做一些扫尾工作。

五、servlet中的listener
        在整个Tomcat服务器中，Listener使用非常广泛，它是基于观察者模式设计的，Listener的设计为开发Servlet应用程序提供了一种快捷的手段，能够方便地从另一个纵向维度控制程序和数据。目前在Servlet中提供了下图所示的类型：
        
        它们基本上涵盖了整个Servlet生命周期中你感兴趣的每种事件，这些Listener的实现类可以配置在web.xml标签中，当然也可以在应用程序中添加Listener，但是ServletContextListener在容器启动之后就不能再添加新的了，因为它所监听的事件已经不会再出现了。

六、filter如何工作
        Filter也是在web.xml中另一个常用的配置项，可以通过和组合来使用Filter。实际上Filter可以完成与Servlet同样的工作，甚至比其更加灵活，因为它除了提供request和response对象外，还提供了一个FilterChain对象，这个对象可以让我们更加灵活地控制请求的流转。下面是与Filter相关的类结构图：
        
        Filter存在的意义就好比是你要去北京，它是你的目的地，但是提供了一个机制让你在去的途中可以做一些拦截工作，如可以将你的一些行李包存放在某个地方，当你返回时你可以再从这个地方取回，即可以让你在途中增加或者减少一些东西。

七、servlet中的url-pattern
        在web.xml中和都有配置项，它们的作用都是匹配一次请求是否会执行这个Servlet或者Filter。
        一个请求最终被分配到一个Servlet中是通过org.apache.tomcat.util.http.Mapper类完成的，这个类会根据请求到的URL来匹配在每个Servlet中配置的，所以它在一个请求被创建时就已经匹配了。
        Filter的url-pattern匹配是在创建ApplicationFilterChain对象时进行的，它会把所有定义的Filter的url-pattern与当前的URL匹配，如果匹配成功就将这个Filter保存到ApplicationFilterChain的filters数组中，然后在FilterChain中依次调用。
        在web.xml加载时，会首先检查配置是否符合规则，这个检查是在StandardContext的validateURLPattern方法中检查的，如果检查不成功，Context容器启动会失败，并且会报java.lang.IllegalArgumentException:Invalid/a/*.htm in Servlet mapping错误。
        的匹配规则有如下3种：
        （1）精确匹配：如/foo.htm只会匹配foo.htm这个URL。
        （2）路径匹配：如/foo/*会匹配以foo为前缀的URL。
        （3）后缀匹配：如*.htm会匹配所有以.htm为后缀的URL。