【JavaEE+servlet】 Servlet 运行原理

思考问题：在 Servlet 的代码中并没有写 main 方法, 那么对应的 doGet 代码是如何被调用的呢? 响应又是如何返回给浏览器的?

1. Tomcat 的定位

我们自己的实现是在 Tomcat 基础上运行的。
当浏览器给服务器发送请求的时候, Tomcat 作为 HTTP 服务器, 就可以接收到这个请求.
HTTP 协议作为一个应用层协议, 需要底层协议栈来支持工作. 如下图所示

详细交互过程如下：

接收请求:

• 用户在浏览器输入一个 URL, 此时浏览器就会构造一个 HTTP 请求.
• 这个 HTTP 请求会经过网络协议栈逐层进行 封装 成二进制的 bit 流, 最终通过物理层的硬件设备转
  换成光信号/电信号传输出去.
• 这些承载信息的光信号/电信号通过互联网上的一系列网络设备, 最终到达目标主机(这个过程也需
  要网络层和数据链路层参与).
• 服务器主机收到这些光信号/电信号, 又会通过网络协议栈逐层进行 分用, 层层解析, 最终还原成
  HTTP 请求. 并交给 Tomcat 进程进行处理(根据端口号确定进程)
• Tomcat 通过 Socket 读取到这个请求(一个字符串), 并按照 HTTP 请求的格式来解析这个请求, 根据
  请求中的 Context Path 确定一个 webapp, 再通过 Servlet Path 确定一个具体的 类. 再根据当前请
  求的方法 (GET/POST/…), 决定调用这个类的 doGet 或者 doPost 等方法. 此时我们的代码中的
  doGet / doPost 方法的第一个参数 HttpServletRequest 就包含了这个 HTTP 请求的详细信息.

根据请求计算响应:

• 在 doGet / doPost 方法中, 就执行到了我们自己的代码. 我们自己的代码会根据请求中的一些信息, 来给 HttpServletResponse 对象设置一些属性. 例如状态码, header, body 等.

返回响应:

• 我们的 doGet / doPost 执行完毕后, Tomcat 就会自动把 HttpServletResponse 这个我们刚设置
  好的对象转换成一个符合 HTTP 协议的字符串, 通过 Socket 把这个响应发送出去.
• 此时响应数据在服务器的主机上通过网络协议栈层层 封装, 最终又得到一个二进制的 bit 流, 通过
  物理层硬件设备转换成光信号/电信号传输出去.
• 这些承载信息的光信号/电信号通过互联网上的一系列网络设备, 最终到达浏览器所在的主机(这个
  过程也需要网络层和数据链路层参与).
• 浏览器主机收到这些光信号/电信号, 又会通过网络协议栈逐层进行 分用, 层层解析, 最终还原成
  HTTP 响应, 并交给浏览器处理.
• 浏览器也通过 Socket 读到这个响应(一个字符串), 按照 HTTP 响应的格式来解析这个响应. 并且把
  body 中的数据按照一定的格式显示在浏览器的界面上

2. Tomcat运行机制（观察Tomcat的伪代码来理解）

2.1 Tomcat 初始化流程

class Tomcat {
// 用来存储所有的 Servlet 对象
 private List<Servlet> instanceList = new ArrayList<>();
 public void start() {
       // 根据约定，读取 WEB-INF/web.xml 配置文件;
        // 并解析被 @WebServlet 注解修饰的类
       
        // 假定这个数组里就包含了我们解析到的所有被 @WebServlet 注解修饰的类. 
        Class<Servlet>[] allServletClasses = ...;
        
        // 这里要做的的是实例化出所有的 Servlet 对象出来;
        for (Class<Servlet> cls : allServletClasses) {
            // 这里是利用 java 中的反射特性做的
           // 实际上还得涉及一个类的加载问题，因为我们的类字节码文件，是按照约定的
            // 方式（全部在 WEB-INF/classes 文件夹下）存放的，所以 tomcat 内部是
            // 实现了一个自定义的类加载器(ClassLoader)用来负责这部分工作。
            
            Servlet ins = cls.newInstance();
            instanceList.add(ins);
       }
        
        // 调用每个 Servlet 对象的 init() 方法，这个方法在对象的生命中只会被调用这一次;
        for (Servlet ins : instanceList) {
            ins.init();
       }
        
        // 利用我们之前学过的知识，启动一个 HTTP 服务器
        // 并用线程池的方式分别处理每一个 Request
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        // 实际上 tomcat 不是用的固定线程池，这里只是为了说明情况
        ExecuteService pool = Executors.newFixedThreadPool(100);
        
        while (true) {
            Socket socket = ServerSocket.accept();
            // 每个请求都是用一个线程独立支持，这里体现了我们 Servlet 是运行在多线程环境下的
            pool.execute(new Runnable() {
               doHttpRequest(socket); 
           });
       }
        // 调用每个 Servlet 对象的 destroy() 方法，这个方法在对象的生命中只会被调用这一次;
        for (Servlet ins : instanceList) {
            ins.destroy();
       }
   }
    
    public static void main(String[] args) {
        new Tomcat().start();
   }
}

• Tomcat 的代码中内置了 main 方法. 当我们启动 Tomcat 的时候, 就是从 Tomcat 的 main 方法开
  始执行的.
• 被 @WebServlet 注解修饰的类会在 Tomcat 启动的时候就被获取到, 并集中管理.
• Tomcat 通过 反射 这样的语法机制来创建被 @WebServlet 注解修饰的类的实例.
• 这些实例被创建完了之后, 会点调用其中的 init 方法进行初始化. (这个方法是 HttpServlet 自带的,
  我们自己写的类可以重写 init)
• 这些实例被销毁之前, 会调用其中的 destory 方法进行收尾工作. (这个方法是 HttpServlet 自带的,
  我们自己写的类可以重写 destory)
• Tomcat 内部也是通过 Socket API 进行网络通信.
• Tomcat 为了能同时相应多个 HTTP 请求, 采取了多线程的方式实现. 因此 Servlet 是运行在 多线程
  环境 下的.

2.2 Tomcat 处理请求流程

class Tomcat {
    void doHttpRequest(Socket socket) {
        // 参照我们之前学习的 HTTP 服务器类似的原理，进行 HTTP 协议的请求解析，和响应构建
        HttpServletRequest req = HttpServletRequest.parse(socket);
        HttpServletRequest resp = HttpServletRequest.build(socket);
        
        // 判断 URL 对应的文件是否可以直接在我们的根路径上找到对应的文件，如果找到，就是静态
内容
        // 直接使用我们学习过的 IO 进行内容输出
        if (file.exists()) {
            // 返回静态内容
            return;
       }
        
        // 走到这里的逻辑都是动态内容了
        
        // 根据我们在配置中说的，按照 URL -> servlet-name -> Servlet 对象的链条
        // 最终找到要处理本次请求的 Servlet 对象
        Servlet ins = findInstance(req.getURL());
        
        // 调用 Servlet 对象的 service 方法
        // 这里就会最终调用到我们自己写的 HttpServlet 的子类里的方法了
        try {
       ins.service(req, resp); 
       } catch (Exception e) {
            // 返回 500 页面，表示服务器内部错误
       }
   }
}

• Tomcat 从 Socket 中读到的 HTTP 请求是一个字符串, 然后会按照 HTTP 协议的格式解析成一个
  HttpServletRequest 对象.
• Tomcat 会根据 URL 中的 path 判定这个请求是请求一个静态资源还是动态资源. 如果是静态资源,
  直接找到对应的文件把文件的内容通过 Socket 返回. 如果是动态资源, 才会执行到 Servlet 的相关
  逻辑.
• Tomcat 会根据 URL 中的 Context Path 和 Servlet Path 确定要调用哪个 Servlet 实例的 service
  方法.
• 通过 service 方法, 就会进一步调用到我们之前写的 doGet 或者 doPost

2.3 Servlet 的 service 方法的实现

class Servlet {
    public void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) {
        String method = req.getMethod();
        if (method.equals("GET")) {
            doGet(req, resp);
       } else if (method.equals("POST")) {
            doPost(req, resp);
       } else if (method.equals("PUT")) {
            doPut(req, resp);
       } else if (method.equals("DELETE")) {
            doDelete(req, resp);
       } 
       ......
   }
}

• Servlet 的 service 方法内部会根据当前请求的方法, 决定调用其中的某个 doXXX 方法.
• 在调用 doXXX 方法的时候, 就会触发 多态 机制, 从而执行到我们自己写的子类中的 doXXX 方法
  等价代码：

Servlet ins = new HelloServlet();
ins.doGet(req, resp);

此处的多态机制就是 “父类引用指向子类对象”

• over~✨