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Servlet生命周期与工作原理

浮躁的码农
 浮躁的码农
发布于 2015/07/17 23:02
字数 3699
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大多数程序员都知道Servlet的生命周期,简单的概括这就分为四步:servlet类加载—>实例化—>服务—>销毁。对这个过程只是肤浅了解下,对于servlet何时被销毁,还是不太情楚。下面我们描述一下Tomcat与Servlet是如何工作的,首先看下面的时序图。 
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  1. Web Client 向Servlet容器(Tomcat)发出Http请求;
  2. Servlet容器接收Web Client的请求;
  3. Servlet容器创建一个HttpRequest对象,将Web Client请求的信息封装到这个对象中;
  4. Servlet容器创建一个HttpResponse对象;
  5. Servlet容器调用HttpServlet对象的service方法,把HttpRequest对象与HttpResponse对象作为参数传给 HttpServlet对象;
  6. HttpServlet调用HttpRequest对象的有关方法,获取Http请求信息;
  7. HttpServlet调用HttpResponse对象的有关方法,生成响应数据;
  8. Servlet容器把HttpServlet的响应结果传给Web Client;

对于Servlet容器(Tomcat)与HttpServlet是怎样进行交互的呢,看下类图: 
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Servlet的框架是由两个Java包组成的:javax.servlet与javax.servlet.http。在javax.servlet包中定义了所有的Servlet类都必须实现或者扩展的通用接口和类。在javax.servlet.http包中定义了采用Http协议通信的HttpServlet类。Servlet的框架的核心是javax.servlet.Servlet接口,所有的Servlet都必须实现这个接口。在Servlet接口中定义了5个方法,其中3个方法代表了Servlet的生命周期:

  1. init(ServletConfig)方法:负责初始化Servlet对象,在Servlet的生命周期中,该方法执行一次;该方法执行在单线程的环境下,因此开发者不用考虑线程安全的问题;
  2. service(ServletRequest req,ServletResponse res)方法:负责响应客户的请求;为了提高效率,Servlet规范要求一个Servlet实例必须能够同时服务于多个客户端请求,即service()方法运行在多线程的环境下,Servlet开发者必须保证该方法的线程安全性;
  3. destroy()方法:当Servlet对象退出生命周期时,负责释放占用的资源;

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编程注意事项说明: 
(1) 当Server Thread线程执行Servlet实例的init()方法时,所有的Client Service Thread线程都不能执行该实例的service()方法,更没有线程能够执行该实例的destroy()方法,因此Servlet的init()方法是工作在单线程的环境下,开发者不必考虑任何线程安全的问题。 
(2)当服务器接收到来自客户端的多个请求时,服务器会在单独的Client Service Thread线程中执行Servlet实例的service()方法服务于每个客户端。此时会有多个线程同时执行同一个Servlet实例的service()方法,因此必须考虑线程安全的问题。 
(3)请大家注意,虽然service()方法运行在多线程的环境下,并不一定要同步该方法。而是要看这个方法在执行过程中访问的资源类型及对资源的访问方式。分析如下:

i. 如果service()方法没有访问Servlet的成员变量也没有访问全局的资源比如静态变量、文件、数据库连接等,而是只使用了当前线程自己的资源,比如非指向全局资源的临时变量、request和response对象等。该方法本身就是线程安全的,不必进行任何的同步控制。 
ii. 如果service()方法访问了Servlet的成员变量,但是对该变量的操作是只读操作,该方法本身就是线程安全的,不必进行任何的同步控制。 
iii. 如果service()方法访问了Servlet的成员变量,并且对该变量的操作既有读又有写,通常需要加上同步控制语句。 
iv. 如果service()方法访问了全局的静态变量,如果同一时刻系统中也可能有其它线程访问该静态变量,如果既有读也有写的操作,通常需要加上同步控制语句。 
v. 如果service()方法访问了全局的资源,比如文件、数据库连接等,通常需要加上同步控制语句。

创建Servlet对象的时机

  1. 默认情况下,在Servlet容器启动后:客户首次向Servlet发出请求,Servlet容器会判断内存中是否存在指定的Servlet对象,如果没有则创建它,然后根据客户的请求创建HttpRequest、HttpResponse对象,从而调用Servlet对象的service方法;
  2. Servlet容器启动时:当web.xml文件中如果<servlet>元素中指定了<load-on-startup>子元素时,Servlet容器在启动web服务器时,将按照顺序创建并初始化Servlet对象;
  3. Servlet的类文件被更新后,重新创建Servlet。Servlet容器在启动时自动创建Servlet,这是由在web.xml文件中为Servlet设置的<load-on-startup>属性决定的。从中我们也能看到同一个类型的Servlet对象在Servlet容器中以单例的形式存在;

注意:在web.xml文件中,某些Servlet只有<serlvet>元素,没有<servlet-mapping>元素,这样我们无法通过url的方式访问这些Servlet,这种Servlet通常会在<servlet>元素中配置一个<load-on-startup>子元素,让容器在启动的时候自动加载这些Servlet并调用init(ServletConfig config)方法来初始化该Servlet。其中方法参数config中包含了Servlet的配置信息,比如初始化参数,该对象由服务器创建。

销毁Servlet对象的时机

  1. Servlet容器停止或者重新启动:Servlet容器调用Servlet对象的destroy方法来释放资源。以上所讲的就是Servlet对象的生命周期。那么Servlet容器如何知道创建哪一个Servlet对象?Servlet对象如何配置?实际上这些信息是通过读取web.xml配置文件来实现的。
<servlet> <servlet-name>action<servlet-name> <servlet-class>org.apache.struts.action.ActionServlet</servlet-class> <init-param> <param-name>config</param-name> <param-value>/WEB-INF/struts-config.xml</param-value> </init-param> <init-param> <param-name>detail</param-name> <param-value>2</param-value> </init-param> <init-param> <param-name>debug</param-name> <param-value>2</param-value> </init-param> <load-on-startup>2</load-on-startup> </servlet> <servlet-mapping> <servlet-name>action</servlet-name> <url-pattern>*.do</url-pattern> </servlet-mapping>

上面的配置节信息进行解析:

servlet-name:Servlet对象的名称 
servlet-class:创建Servlet对象所要调用的类 
param-name:参数名称 
param-value:参数值 
load-on-startup:Servlet容器启动时加载Servlet对象的顺序 
servlet-mapping/servlet-name:要与servlet中的servlet-name配置节内容对应 
url-pattern:客户访问的Servlet的相对URL路径

当Servlet容器启动的时候读取<servlet>配置节信息,根据<servlet-class>配置节信息创建Servlet对象,同时根据<init-param>配置节信息创建HttpServletConfig对象,然后执行Servlet对象的init方法,并且根据<load-on-startup>配置节信息来决定创建Servlet对象的顺序,如果此配置节信息为负数或者没有配置,那么在Servlet容器启动时,将不加载此Servlet对象。当客户访问Servlet容器时,Servlet容器根据客户访问的URL地址,通过<servlet-mapping>配置节中的<url-pattern>配置节信息找到指定的Servlet对象,并调用此Servlet对象的service方法。

Servlet工作原理

首先简单解释一下Servlet接收和响应客户请求的过程,首先客户发送一个请求,Servlet是调用service()方法对请求进行响应的,通过源代码可见,service()方法中对请求的方式进行了匹配,选择调用doGet,doPost等这些方法,然后再进入对应的方法中调用逻辑层的方法,实现对客户的响应。在Servlet接口和GenericServlet中是没有doGet,doPost等等这些方法的,HttpServlet中定义了这些方法,但是都是返回error信息,所以,我们每次定义一个Servlet的时候,都必须实现doGet或doPost等这些方法。

每一个自定义的Servlet都必须实现Servlet的接口,Servlet接口中定义了五个方法,其中比较重要的三个方法涉及到Servlet的生命周期,分别是上文提到的init(),service(),destroy()方法。GenericServlet是一个通用的,不特定于任何协议的Servlet,它实现了Servlet接口。而HttpServlet继承于GenericServlet,因此HttpServlet也实现了Servlet接口。所以我们定义Servlet的时候只需要继承HttpServlet即可。

Servlet接口和GenericServlet是不特定于任何协议的,而HttpServlet是特定于HTTP协议的类,所以HttpServlet中实现了service()方法,并将请求ServletRequest,ServletResponse强转为HttpRequest和HttpResponse。

public void service(ServletRequest req,ServletResponse res) throws ServletException,IOException {
      HttpRequest request;
      HttpResponse response; try {
         req = (HttpRequest)request;
         res = (HttpResponse)response;
      }catch(ClassCastException e)
      { throw new ServletException("non-HTTP request response"); 
      }
      service(request,response);
}

代码的最后调用了HTTPServlet自己的service(request,response)方法,然后根据请求去调用对应的doXXX方法,因为HttpServlet中的doXXX方法都是返回错误信息:

protected void doGet(HttpServletRequest res,HttpServletResponse resp) throws ServletException,IOException
{ String protocol = req.getProtocol(); String msg = IStrings.getString("http.method_get_not_supported"); if(protocol.equals("1.1"))
   {
      resp.sendError(HttpServletResponse.SC.METHOD.NOT.ALLOWED,msg);
    }
   esle
    {
      resp.sendError(HttpServletResponse.SC_BAD_REQUEST,msg);
    }
}

所以需要我们在自定义的Servlet中override这些方法!

Servlet响应请求阶段

对于用户到达Servlet的请求,Servlet容器会创建特定于这个请求的ServletRequest对象和ServletResponse对象,然后调用Servlet的service方法。service方法从ServletRequest对象获得客户请求信息,处理该请求,并通过ServletResponse对象向客户返回响应信息。

对于Tomcat来说,它会将传递过来的参数放在一个Hashtable中,该Hashtable的定义是:

private Hashtable<String String[]> paramHashStringArray = new Hashtable<String String[]>();

这是一个String–>String[]的键值映射。HashMap线程不安全的,Hashtable线程安全。

Servlet终止阶段

当Web服务器认为Servlet实例没有存在的必要了,比如应用重新装载,或服务器关闭,以及Servlet很长时间都没有被访问过。服务器可以从内存中销毁(也叫卸载)该实例。Web服务器必须保证在卸载Servlet实例之前调用该实例的destroy()方法,以便回收Servlet申请的资源或进行其它的重要的处理。

Web服务器必须保证调用destroy()方法之前,让所有正在运行在该实例的service()方法中的线程退出或者等待这些线程一段时间。一旦destroy()方法已经执行,Web服务器将拒绝所有的新到来的对该Servlet实例的请求,destroy()方法退出,该Servlet实例即可以被垃圾回收。

Servlet生命周期

Servlet运行在Servlet容器中,其生命周期由容器来管理。Servlet的生命周期通过javax.servlet.Servlet接口中的init()、service()和destroy()方法来表示。

(1)加载和实例化 
Servlet容器负责加载和实例化Servlet。当Servlet容器启动时,或者在容器检测到需要这个Servlet来响应第一个请求时,创建Servlet实例。当Servlet容器启动后,它必须要知道所需的Servlet类在什么位置,Servlet容器可以从本地文件系统、远程文件系统或者其他的网络服务中通过类加载器加载Servlet类,成功加载后,容器创建Servlet的实例。因为容器是通过Java的反射API来创建Servlet实例,调用的是Servlet的默认构造方法(即不带参数的构造方法),所以我们在编写Servlet类的时候,不应该提供带参数的构造方法。

(2)初始化 
在Servlet实例化之后,容器将调用Servlet的init()方法初始化这个对象。初始化的目的是为了让Servlet对象在处理客户端请求前完成一些初始化的工作,如建立数据库的连接,获取配置信息等。对于每一个Servlet实例,init()方法只被调用一次。在初始化期间,Servlet实例可以使用容器为它准备的ServletConfig对象从Web应用程序的配置信息(在web.xml中配置)中获取初始化的参数信息。在初始化期间,如果发生错误,Servlet实例可以抛出ServletException异常或者UnavailableException异常来通知容器。ServletException异常用于指明一般的初始化失败,例如没有找到初始化参数;而UnavailableException异常用于通知容器该Servlet实例不可用。例如,数据库服务器没有启动,数据库连接无法建立,Servlet就可以抛出UnavailableException异常向容器指出它暂时或永久不可用。

(3)请求处理 
Servlet容器调用Servlet的service()方法对请求进行处理。要注意的是,在service()方法调用之前,init()方法必须成功执行。在service()方法中,Servlet实例通过ServletRequest对象得到客户端的相关信息和请求信息,在对请求进行处理后,调用ServletResponse对象的方法设置响应信息。在service()方法执行期间,如果发生错误,Servlet实例可以抛出ServletException异常或者UnavailableException异常。如果UnavailableException异常指示了该实例永久不可用,Servlet容器将调用实例的destroy()方法,释放该实例。此后对该实例的任何请求,都将收到容器发送的HTTP 404(请求的资源不可用)响应。如果UnavailableException异常指示了该实例暂时不可用,那么在暂时不可用的时间段内,对该实例的任何请求,都将收到容器发送的HTTP 503(服务器暂时忙,不能处理请求)响应。

(4)服务终止 
当容器检测到一个Servlet实例应该从服务中被移除的时候,容器就会调用实例的destroy()方法,以便让该实例可以释放它所使用的资源,保存数据到持久存储设备中。当需要释放内存或者容器关闭时,容器就会调用Servlet实例的destroy()方法。在destroy()方法调用之后,容器会释放这个Servlet实例,该实例随后会被Java的垃圾收集器所回收。如果再次需要这个Servlet处理请求,Servlet容器会创建一个新的Servlet实例。

在整个Servlet的生命周期过程中,创建Servlet实例、调用实例的init()和destroy()方法都只进行一次,当初始化完成后,Servlet容器会将该实例保存在内存中,通过调用它的service()方法,为接收到的请求服务。下面给出Servlet整个生命周期过程的UML序列图,如图所示。 
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如果需要让Servlet容器在启动时即加载Servlet,可以在web.xml文件中配置<load-on-startup>元素。

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