Servlet、Servlet容器等内容讲解

转载自http://blog.csdn.net/iAm333

对于Servlet、Servlet容器以及一个Servlet容器-Tomcat这些概念讲解的挺清晰的，转载下

之前在开源中国看到一篇文章《初学 Java Web 开发，请远离各种框架，从 Servlet 开发》，觉得很不错。想到自己之前一直对各种框架执迷不悟，顿感惭愧。于是，看了孙鑫的《Servlet/JSP深入详解：基于Tomcat的Web开发》、林信良的《JSP&Servlet学习笔记（第二版）》以及网上其他一些相关的资料，将自己的理解整理如下。

Web技术

随着互联网技术的发展，基于HTTP和HTML的web应用急速增长。早期的web应用主要用于浏览新闻等静态页面，用户通过HTTP协议请求服务 器上的静态页面，服务器上的web服务器软件接收到请求后，读取URI标示的资源，再加上消息报头发送给客户端浏览器，浏览器负责解析HTML，将结果呈 现出来。

然而随着时间发展，用户已经不满足于仅浏览静态页面。用户需要一些交互操作，获取一些动态结果。如果基于HTTP协议实现服务器端软件增强功能太过 复杂，所以需要一些扩展机制来实现用户想要的功能。早期使用的Web服务器扩展机制是CGI（Common Gateway Interface，公共网关接口）。使用这种方法，用户单击某个链接或输入网址来访问CGI程序，web服务器收到请求后，运行该CGI程序，对用户请 求进行处理，紧接着将处理结果并产生一个响应，该响应被返回给web服务器，web服务器对响应进行包装，以HTTP响应的方式返回给浏览器。

CGI程序在一定程度上解决了用户需求。不过还存在一些不足之处，如CGI程序编写困难，响应时间较长，以进程方式运行导致性能受限。于是1997年，sun公司推出了Servlet技术，作为java阵营的CGI解决方案。

servlet与servlet容器

Java Servlet（Java服务器小程序）是一个基于Java技术的Web组件，运行在服务器端，它由Servlet容器所管理，用于生成动态的内容。 Servlet是平台独立的Java类，编写一个Servlet，实际上就是按照Servlet规范编写一个Java类。Servlet被编译为平台独立 的字节码，可以被动态地加载到支持Java技术的Web服务器中运行。

Servlet容器也叫做Servlet引擎，是Web服务器或应用程序服务器的一部分，用于在发送的请求和响应之上提供网络服务，解码基于 MIME的请求，格式化基于MIME的响应。Servlet没有main方法，不能独立运行，它必须被部署到Servlet容器中，由容器来实例化和调用 Servlet的方法（如doGet()和doPost()），Servlet容器在Servlet的生命周期内包容和管理Servlet。在JSP技术 推出后，管理和运行Servlet/JSP的容器也称为Web容器。

（注：常用的MIME类型：text/html，application/pdf，video/quicktime，application /java，image/jpeg，application/jar，application/octet-stream，application/x- zip）

有了servlet之后，用户通过单击某个链接或者直接在浏览器的地址栏中输入URL来访问Servlet，Web服务器接收到该请求后，并不是将 请求直接交给Servlet，而是交给Servlet容器。Servlet容器实例化Servlet，调用Servlet的一个特定方法对请求进行处理， 并产生一个响应。这个响应由Servlet容器返回给Web服务器，Web服务器包装这个响应，以HTTP响应的形式发送给Web浏览器。

servlet容器能提供什么？

我们知道需要由servlet容器来管理和运行servlet，但是为什么要这样做呢？使用servlet容器的原因有：

通信支持：利用容器提供的方法，你能轻松的让servlet与web服务器对话，而不用自己建立serversocket、监听某个端口、创建流等 等。容器知道自己与web服务器之间的协议，所以你的servlet不用担心web服务器（如Apache）和你自己的web代码之间的API，只需要考 虑如何在servlet中实现业务逻辑（如处理一个订单）。
生命周期管理：servlet容器控制着servlet的生与死，它负责加载类、实例化和初始化servlet，调用servlet方法，以及使servlet实例被垃圾回收，有了servlet容器，你不需要太多的考虑资源管理。
多线程支持：容器会自动为它所接收的每个servlet请求创建一个新的java线程。针对用户的请求，如果servlet已经运行完相应的http服务方法，这个线程就会结束。这并不是说你不需要考虑线程安全性，其实你还会遇到同步问题，不过这样能使你少做很多工作。
声明方式实现安全：利用servlet容器，你可以使用xml部署描述文件来配置和修改安全性，而不必将其硬编码写到servlet类代码中。
JSP支持：servlet容器负责将jsp代码翻译为真正的java代码。

用与CGI程序相比，Servlet具有以下优点：

Servlet是单实例多线程的运行方式，每个请求在一个独立的线程中运行，而提供服务的Servlet实例只有一个。
Servlet具有可升级性，能响应更多的请求，因为Servlet容器使用一个线程而不是操作系统进程，而线程仅占用有限的系统资源。
Servlet使用标准的API，被更多的Web服务器所支持。
Servlet使用Java语言编写，因此拥有Java程序语言的所有优点，包括容易开发和平台独立性。
Servlet可以访问Java平台丰富的类库，使得各种应用的开发更为容易。
Servlet容器给Servlet提供额外的功能，如错误处理和安全。

Servlet容器的分类

根据Servlet容器工作模式的不同，可以将Servlet容器分为以下三类：

1）独立的Servlet容器

当我们使用基于Java技术的Web服务器时，Servlet容器作为构成Web服务器的一部分而存在。然而大多数的Web服务器并非基于Java，因此，就有了下面两种Servlet容器的工作模式。

2）进程内的Servlet容器

Servlet容器由Web服务器插件和Java容器两部分的实现组成。Web服务器插件在某个Web服务器内部地址空间中打开一个 JVM（Java虚拟机），使得Java容器可以在此JVM中加载并运行Servlet。如有客户端调用Servlet的请求到来，插件取得对此请求的控 制并将它传递（使用JNI技术）给Java容器，然后由Java容器将此请求交由Servlet进行处理。进程内的Servlet容器对于单进程、多线程 的服务器非常适合，提供了较高的运行速度，但伸缩性有所不足。

3）进程外的Servlet容器

Servlet容器运行于Web服务器之外的地址空间，它也是由Web服务器插件和Java容器两部分的实现组成的。Web服务器插件和Java容 器（在外部JVM中运行）使用IPC机制（通常是TCP/IP）进行通信。当一个调用Servlet的请求到达时，插件取得对此请求的控制并将其传递（使 用IPC机制）给Java容器。进程外Servlet容器对客户请求的响应速度不如进程内的Servlet容器，但进程外容器具有更好的伸缩性和稳定性。

Tomcat

学习Servlet技术，就需要有一个Servlet运行环境，也就是需要有一个Servlet容器，本文用的是Tomcat。

Tomcat是一个免费的开放源代码的Servlet容器，它是Apache软件基金会（Apache Software Foundation）的一个顶级项目，由Apache、Sun和其他一些公司及个人共同开发而成。由于有了Sun的参与和支持，最新的Servlet和 JSP规范总是能在Tomcat中得到体现，Tomcat 6支持最新的Servlet 2.5和JSP 2.1规范。因为Tomcat技术先进、性能稳定，而且免费，因而深受Java爱好者的喜爱，并得到了部分软件开发商的认可，成为目前比较流行的Web服 务器。

Tomcat和IIS、Apache等Web服务器一样，具有处理HTML页面的功能，另外它还是一个Servlet和JSP容器，独立的 Servlet容器是Tomcat的默认模式。不过，Tomcat处理静态HTML的能力不如Apache，我们可以将Apache和Tomcat集成在 一起使用，Apache作为HTTP Web服务器，Tomcat作为Web容器。

Tomcat服务器接受客户请求并做出响应的过程如下：

1）客户端（通常都是浏览器）访问Web服务器，发送HTTP请求。
2）Web服务器接收到请求后，传递给Servlet容器。
3）Servlet容器加载Servlet，产生Servlet实例后，向其传递表示请求和响应的对象。
4）Servlet实例使用请求对象得到客户端的请求信息，然后进行相应的处理。
5）Servlet实例将处理结果通过响应对象发送回客户端，容器负责确保响应正确送出，同时将控制返回给Web服务器。

Tomcat的安装与配置

安装Tomcat之前要先安装JDK。JDK的下载与配置网上教程很多，可百度或谷歌。要下载Tomcat，首先访问Tomcat项目的网址：http://tomcat.apache.org/，选择要下载的Tomcat版本。

对于Windows操作系统，Tomcat提供了可执行的安装程序的下载，即“Windows Service Installer”链接。通过安装程序安装Tomcat，将把Tomcat安装为Windows的服务。不过建议下载zip压缩包，通过解压缩的方式来安装Tomcat，因为解压缩的方式也适用于其他的操作系统（如Linux系统），并且更容易与其他的开发环境集成。对于初学者来说，也能更好地学习Tomcat的启动过程。
下载完成后，使用WinZip或WinRAR等解压缩工具将压缩包解压缩到指定的目录中。然后在PATH环境变量中添加Tomcat的文件夹下bin文件 夹的目录，如D:apache-tomcat-版本in即可。本文使用的是截止本文撰写时的最新版本apache-tomcat-7.0.33。

Tomcat的目录结构

Tomcat安装后的目录层次结构如图1所示。

图1 Tomcat 7.0.33目录层次结构

各目录的用途如表1所示。

目  录	用    途
/bin	存放启动和关闭Tomcat的脚本文件
/conf	存放Tomcat服务器的各种配置文件，其中包括server.xml（Tomcat的主要配置文件）、tomcat-users.xml和web.xml等配置文件
/lib	存放Tomcat服务器和所有Web应用程序需要访问的JAR文件
/logs	存放Tomcat的日志文件
/temp	存放Tomcat运行时产生的临时文件
/webapps	当发布Web应用程序时，通常把Web应用程序的目录及文件放到这个目录下
/work	Tomcat将JSP生成的Servlet源文件和字节码文件放到这个目录下

表1  Tomcat的目录结构及其用途

 

从表1中可以看到，lib目录下存放的JAR文件可以被所有的Web应用程序所访问，如果多个Web应用程序需要访问相同的JAR文件，那么可以将这些JAR文件放到Tomcat的lib目录下。此外，对于后面将要介绍的Java Web应用程序，在它的WEB-INF目录下，也可以建立lib子目录，在lib子目录下可以存放各种JAR文件，这些JAR文件只能被当前Web应用程序所访问。

运行Tomcat

在Tomcat安装目录下的bin子目录中，有一些批处理文件（以.bat作为后缀名的文件），其中的startup.bat就是启动Tomcat 的脚本文件，用鼠标双击这个文件，如果你之前已经配置好了JDK和Tomcat（配置见图2中PATH变量和JAVA_HOME变量），则会打开如图3所 示窗口。

图2 JDK和Tomcat配置

图3 Tomcat启动窗口

注：如果未出现如图3所示的启动窗口，而是一闪而过，则证明JDK和Tomcat未配置好，重新配置好即可。

打开浏览器，在地址栏中输入http://localhost:8080/（localhost表示本地机器，8080是Tomcat默认监听的端 口号），将出现如图4所示的Tomcat页面。如果要关闭Tomcat服务器，可以用鼠标双击Tomcat bin目录下的shutdown.bat文件。

图4 Tomcat默认主页

Tomcat启动分析

我们用文本编辑器打开用于启动Tomcat的批处理文件startup.bat，对其做分析。具体分析过程见图5。

图5 startup.bat文件分析

从图5的分析中我们可以看见，startup.bat脚本主要是查看当前命令所在目录。看是否在tomcat或tomcatin目录下。以 及查看将调用该命令的参数传递给catalina.bat。最后调用catalina.bat start命令。startup.bat的主要作用是调用catalina.bat start命令。所以，在其他目录下想同样使用startup来启动Tomcat，则需设置CATALINA_HOME环境变量。将 CATALINA_HOME环境变量的值设置为Tomcat的安装目录即可。

可能有人会奇怪为什么JAVA_HOME表示Java安装目录，而Tomcat安装目录却不用TOMCAT_HOME来表示，却要用CATALINA_HOME来表示。其实在Tomcat 4以前，就是使用TOMCAT_HOME来表示Tomcat安装目录的。

解了startup.bat文件以后，我们再来看看真正负责启动Tomcat服务器的catalina.bat文件。catalina.bat文件比较长，所以具体分析过程见图6。

图6 catalina.bat文件分析

由分析可知，catalina.bat实际上就是调用java命令运行Bootstrap类。从上面代码可知tomcat确实是一个纯java的程 序，所有脚本最后都变成直接使用java命令执行程序，与我们普通写的java程序，没有什么不同。只不过由于 tomcat模式太多，需要各种参数（如debug,start等），所以需要使用脚本来执行。另外，通过分析catalina.bat文件，我们发现它 还调用了一个文件setclasspath.bat。在setclasspath.bat文件中，它检查JAVA_HOME环境变量是否存在，并通过 JAVA_HOME环境变量，找到java.exe，用于启动Tomcat。在这个文件中，还设置了其他的一些变量，代表调用Java的标准命令，有兴趣 的话可以自己分析一下该文件。

Tomcat的体系结构

Tomcat服务器是由一系列可配置的组件构成的，其中核心组件是Catalina Servlet容器，它是所有其他Tomcat组件的顶层容器。我们可以通过查看Tomcat安装文件夹下的conf文件夹中的server.xml文件 来了解Tomcat各组件之间的层次关系。由于server.xml注释太多，特简化如下：

<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN">
    <Service name="Catalina">
        <Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1" connectionTimeout="20000" redirectPort="8443" URIEncoding="UTF-8"/>
        <Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">
            <Host name="localhost">
                <Context path="" docBase="WORKDIR" reloadable="true"/>
            </Host>
        </Engine>
    </Service>
</Server>

其中WORKDIR为你想要导入的项目路径。我们下面简单介绍一下各组件在Tomcat服务器中的作用。

（1）Server

Server表示整个的Catalina Servlet容器。Tomcat提供了Server接口的一个默认实现，这通常不需要用户自己去实现。在Server容器中，可以包含一个或多个Service组件。

（2）Service

Service是存活在Server内部的中间组件，它将一个或多个连接器（Connector）组件绑定到一个单独的引擎（Engine）上。在 Server中，可以包含一个或多个Service组件。Service也很少由用户定制，Tomcat提供了Service接口的默认实现，而这种实现 既简单又能满足应用。

（3）Connector

连接器（Connector）处理与客户端的通信，它负责接收客户请求，以及向客户返回响应结果。在Tomcat中，有多个连接器可以使用。

（4）Engine

在Tomcat中，每个Service只能包含一个Servlet引擎（Engine）。引擎表示一个特定的Service的请求处理流水线。作为 一个Service可以有多个连接器，引擎从连接器接收和处理所有的请求，将响应返回给适合的连接器，通过连接器传输给用户。用户允许通过实现 Engine接口提供自定义的引擎，但通常不需要这么做。

（5）Host

Host表示一个虚拟主机，一个引擎可以包含多个Host。用户通常不需要创建自定义的Host，因为Tomcat给出的Host接口的实现（类StandardHost）提供了重要的附加功能。

（6）Context

一个Context表示了一个Web应用程序，运行在特定的虚拟主机中。什么是Web应用程序呢？在Sun公司发布的Java Servlet规范中，对Web应用程序做出了如下的定义：“一个Web应用程序是由一组Servlet、HTML页面、类，以及其他的资源组成的运行在 Web服务器上的完整的应用程序。它可以在多个供应商提供的实现了Servlet规范的Web容器中运行”。一个Host可以包含多个Context（代 表Web应用程序），每一个Context都有一个唯一的路径。用户通常不需要创建自定义的Context，因为Tomcat给出的Context接口的 实现（类StandardContext）提供了重要的附加功能。

有关server.xml各部分的具体信息会在另一篇文章中论述。Tomcat各组件的工作流程如图7所示。

图7 Tomcat各组件的工作流程图

Tomcat的管理程序

Tomcat提供了一个管理程序：manager，用于管理部署到Tomcat服务器中的Web应用程序。manager Web应用程序包含在Tomcat的安装包中。要访问manager Web应用程序，需要添加具有管理员权限的账号，编辑%CATALINA_HOME%conf omcat-users.xml文件， 在<tomcat-users>元素中添加manager角色，以及属于该角色的用户名和密码，如下所示。

<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
<tomcat-users>
  <role rolename="manager-gui"/>
  <user username="tomcat" password="tomcat" roles="manager-gui"/>
</tomcat-users>

注：用户名和密码可以自己设置，但角色名只能是manager-gui，不是一些资料提及的manager。

启动Tomcat服务器，打开浏览器，在地址栏中输入：http://localhost:8080/，将出现如图14所示的页面。单击“Manager App”链接，访问manager Web应用，将看到如图8所示的登录界面。

图8 Tomcat管理员登录界面

输入用户名tomcat，密码1234，单击“确定”按钮，你将看到如图9所示的页面。

图9 manager Web应用程序主页面

在这个页面中，你可以部署、启动、停止、重新加载、卸载Web应用程序。