Servlet入门

Servlet入门

在上一节中，我们看到，编写HTTP服务器其实是非常简单的，只需要先编写基于多线程的TCP服务，然后在一个TCP连接中读取HTTP请求，发送HTTP响应即可。

但是，要编写一个完善的HTTP服务器，以HTTP/1.1为例，需要考虑的包括：

识别正确和错误的HTTP请求；
识别正确和错误的HTTP头；
复用TCP连接；
复用线程；
IO异常处理；
…

这些基础工作需要耗费大量的时间，并且经过长期测试才能稳定运行。如果我们只需要输出一个简单的HTML页面，就不得不编写上千行底层代码，那就根本无法做到高效而可靠地开发。

因此，在JavaEE平台上，处理TCP连接，解析HTTP协议这些底层工作统统扔给现成的Web服务器去做，我们只需要把自己的应用程序跑在Web服务器上。为了实现这一目的，JavaEE提供了Servlet API，我们使用Servlet API编写自己的Servlet来处理HTTP请求，Web服务器实现Servlet API接口，实现底层功能：

                 ┌───────────┐
                 │My Servlet │
                 ├───────────┤
                 │Servlet API│
┌───────┐  HTTP  ├───────────┤
│Browser│<──────>│Web Server │
└───────┘        └───────────┘

我们来实现一个最简单的Servlet：

// WebServlet注解表示这是一个Servlet，并映射到地址/:
@WebServlet(urlPatterns = "/")
public class HelloServlet extends HttpServlet {
    protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
            throws ServletException, IOException {
        // 设置响应类型:
        resp.setContentType("text/html");
        // 获取输出流:
        PrintWriter pw = resp.getWriter();
        // 写入响应:
        pw.write("<h1>Hello, world!</h1>");
        // 最后不要忘记flush强制输出:
        pw.flush();
    }
}

一个Servlet总是继承自HttpServlet，然后覆写doGet()或doPost()方法。注意到doGet()方法传入了HttpServletRequest和HttpServletResponse两个对象，分别代表HTTP请求和响应。我们使用Servlet API时，并不直接与底层TCP交互，也不需要解析HTTP协议，因为HttpServletRequest和HttpServletResponse就已经封装好了请求和响应。以发送响应为例，我们只需要设置正确的响应类型，然后获取PrintWriter，写入响应即可。

现在问题来了：Servlet API是谁提供？

Servlet API是一个jar包，我们需要通过Maven来引入它，才能正常编译。编写pom.xml文件如下：

<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/maven-v4_0_0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <groupId>com.itranswarp.learnjava</groupId>
    <artifactId>web-servlet-hello</artifactId>
    <packaging>war</packaging>
    <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    <properties>
        <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
        <project.reporting.outputEncoding>UTF-8</project.reporting.outputEncoding>
        <maven.compiler.source>11</maven.compiler.source>
        <maven.compiler.target>11</maven.compiler.target>
        <java.version>11</java.version>
    </properties>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>javax.servlet</groupId>
            <artifactId>javax.servlet-api</artifactId>
            <version>4.0.0</version>
            <scope>provided</scope>
        </dependency>
    </dependencies>
    <build>
        <finalName>hello</finalName>
    </build>
</project>

注意到这个pom.xml与前面我们讲到的普通Java程序有个区别，打包类型不是jar，而是war，表示Java Web Application Archive：

<packaging>war</packaging>

引入的Servlet API如下：

<dependency>
    <groupId>javax.servlet</groupId>
    <artifactId>javax.servlet-api</artifactId>
    <version>4.0.0</version>
    <scope>provided</scope>
</dependency>

注意到<scope>指定为provided，表示编译时使用，但不会打包到.war文件中，因为运行期Web服务器本身已经提供了Servlet API相关的jar包。

我们还需要在工程目录下创建一个web.xml描述文件，放到src/main/webapp/WEB-INF目录下（固定目录结构，不要修改路径，注意大小写）。文件内容可以固定如下：

<!DOCTYPE web-app PUBLIC
 "-//Sun Microsystems, Inc.//DTD Web Application 2.3//EN"
 "http://java.sun.com/dtd/web-app_2_3.dtd">
<web-app>
  <display-name>Archetype Created Web Application</display-name>
</web-app>

整个工程结构如下：

web-servlet-hello
├── pom.xml
└── src
    └── main
        ├── java
        │   └── com
        │       └── itranswarp
        │           └── learnjava
        │               └── servlet
        │                   └── HelloServlet.java
        ├── resources
        └── webapp
            └── WEB-INF
                └── web.xml

运行Maven命令mvn clean package，在target目录下得到一个hello.war文件，这个文件就是我们编译打包后的Web应用程序。

现在问题又来了：我们应该如何运行这个war文件？

普通的Java程序是通过启动JVM，然后执行main()方法开始运行。但是Web应用程序有所不同，我们无法直接运行war文件，必须先启动Web服务器，再由Web服务器加载我们编写的HelloServlet，这样就可以让HelloServlet处理浏览器发送的请求。

因此，我们首先要找一个支持Servlet API的Web服务器。常用的服务器有：

Tomcat：由Apache开发的开源免费服务器；
Jetty：由Eclipse开发的开源免费服务器；
GlassFish：一个开源的全功能JavaEE服务器。

还有一些收费的商用服务器，如Oracle的WebLogic，IBM的WebSphere。

无论使用哪个服务器，只要它支持Servlet API 4.0（因为我们引入的Servlet版本是4.0），我们的war包都可以在上面运行。这里我们选择使用最广泛的开源免费的Tomcat服务器。

要运行我们的hello.war，首先要下载Tomcat服务器，解压后，把hello.war复制到Tomcat的webapps目录下，然后切换到bin目录，执行startup.sh或startup.bat启动Tomcat服务器：

$ ./startup.sh 
Using CATALINA_BASE:   .../apache-tomcat-9.0.30
Using CATALINA_HOME:   .../apache-tomcat-9.0.30
Using CATALINA_TMPDIR: .../apache-tomcat-9.0.30/temp
Using JRE_HOME:        .../jdk-11.jdk/Contents/Home
Using CLASSPATH:       .../apache-tomcat-9.0.30/bin/bootstrap.jar:...
Tomcat started.

在浏览器输入http://localhost:8080/hello/即可看到HelloServlet的输出：

细心的童鞋可能会问，为啥路径是/hello/而不是/？因为一个Web服务器允许同时运行多个Web App，而我们的Web App叫hello，因此，第一级目录/hello表示Web App的名字，后面的/才是我们在HelloServlet中映射的路径。

那能不能直接使用/而不是/hello/？毕竟/比较简洁。

答案是肯定的。先关闭Tomcat（执行shutdown.sh或shutdown.bat），然后删除Tomcat的webapps目录下的所有文件夹和文件，最后把我们的hello.war复制过来，改名为ROOT.war，文件名为ROOT的应用程序将作为默认应用，启动后直接访问http://localhost:8080/即可。

实际上，类似Tomcat这样的服务器也是Java编写的，启动Tomcat服务器实际上是启动Java虚拟机，执行Tomcat的main()方法，然后由Tomcat负责加载我们的.war文件，并创建一个HelloServlet实例，最后以多线程的模式来处理HTTP请求。如果Tomcat服务器收到的请求路径是/（假定部署文件为ROOT.war），就转发到HelloServlet并传入HttpServletRequest和HttpServletResponse两个对象。

因为我们编写的Servlet并不是直接运行，而是由Web服务器加载后创建实例运行，所以，类似Tomcat这样的Web服务器也称为Servlet容器。

在Servlet容器中运行的Servlet具有如下特点：

无法在代码中直接通过new创建Servlet实例，必须由Servlet容器自动创建Servlet实例；
Servlet容器只会给每个Servlet类创建唯一实例；
Servlet容器会使用多线程执行doGet()或doPost()方法。

复习一下Java多线程的内容，我们可以得出结论：

在Servlet中定义的实例变量会被多个线程同时访问，要注意线程安全；
HttpServletRequest和HttpServletResponse实例是由Servlet容器传入的局部变量，它们只能被当前线程访问，不存在多个线程访问的问题；
在doGet()或doPost()方法中，如果使用了ThreadLocal，但没有清理，那么它的状态很可能会影响到下次的某个请求，因为Servlet容器很可能用线程池实现线程复用。

因此，正确编写Servlet，要清晰理解Java的多线程模型，需要同步访问的必须同步。