Java Servlet 核心原理与 Spring Boot 实战指南

• 包含与协议无关的核心接口和类。
• 核心接口：
  • Servlet: 定义 Servlet 生命周期方法 (init, service, destroy)。
  • ServletConfig: 提供 Servlet 初始化参数和 ServletContext。
  • ServletContext: 代表整个 Web 应用，用于应用级别的共享和资源访问。
  • ServletRequest, ServletResponse: 表示请求和响应的通用接口。
  • RequestDispatcher: 用于请求转发或包含。
  • Filter: 定义过滤器接口。
  • FilterChain: 表示过滤器链。
• 注意： Jakarta EE 9 及以后，包名从 javax.servlet 迁移到 jakarta.servlet。使用 Tomcat 10+ 或 Jakarta EE 9+ 项目时需注意。

2.2 javax.servlet.http 包 (jakarta.servlet.http)

• 提供特定于 HTTP 协议的接口和类。
• 核心接口和类：
  • HttpServlet: 继承自 GenericServlet (实现了 Servlet)，提供处理 HTTP 方法 (doGet, doPost 等) 的骨架。
  • HttpServletRequest: 扩展 ServletRequest，提供 HTTP 特有的请求信息（方法、URI、头、Cookie、Session）。
  • HttpServletResponse: 扩展 ServletResponse，提供 HTTP 特有的响应功能（状态码、重定向、头、Cookie）。
  • HttpSession: 用于维护用户会话状态。
  • Cookie: 表示 HTTP Cookie。

3. Servlet 生命周期

Servlet 的生命周期由 Servlet 容器管理，包含三个关键方法：

3.1 init(ServletConfig config)

• 调用时机： Servlet 实例被创建后，在第一次处理请求之前，由容器调用一次。
• 目的： 执行一次性初始化工作。
  • 读取配置参数 (ServletConfig.getInitParameter())
  • 建立数据库连接池（通常不推荐在此处直接创建，建议使用连接池管理）
  • 加载资源
• 参数：ServletConfig 对象，包含 Servlet 的配置信息（如初始化参数）和 ServletContext 引用。
• 注意： 可以覆盖无参数的 init() 方法，但通常使用带 ServletConfig 参数的版本。

3.2 service(ServletRequest req, ServletResponse res)

• 调用时机：每次客户端请求到达时，由容器调用。
• 目的： 处理客户端的请求并生成响应。
• 参数：ServletRequest 和 ServletResponse 对象，分别封装了请求和响应信息。在 HttpServlet 中，通常由更具体的 doGet、doPost 等方法处理。
• 线程模型： 容器通常会为每个请求创建一个新线程来调用 service 方法。因此，Servlet 必须是线程安全的！避免使用实例变量存储请求相关的状态。

3.3 destroy()

• 调用时机： Servlet 实例即将被销毁时（例如应用卸载或服务器关闭），由容器调用一次。
• 目的： 执行清理工作。
  • 关闭数据库连接（如果在此处打开了）
  • 释放其他长期持有的资源
  • 保存状态到持久存储（如果需要）

3.4 生命周期图示与线程模型

 +-------------------+ +-------------------+
| Servlet Container | | Threads |
+-------------------+ +-------------------+
|
| (First Request)
v
+---------------------+
| Instantiate Servlet |
+---------------------+
|
| init(config)
v
+---------------------+
| Servlet Ready       |
+---------------------+
|
| /---------- | ----------\
| /           |           \
+-------v----+ +-----v------+ +---v-------+
| Request 1  | | Request 2  | | Request n  | ...
+------------+ +------------+ +-----------+
|
| service(req, res)
| (Each in own thread)
v v v
+-------------------------------+
| Process Request & Generate Response |
+-------------------------------+
|
| v v v
+------------+ +------------+ +-----------+
| Response 1 | | Response 2 | | Response n| ...
+------------+ +------------+ +-----------+
|
| (App Unload/Server Stop)
v
+---------------------+
| destroy()           |
+---------------------+
|
v
+---------------------+
| Servlet Destroyed   |
+---------------------+

• 关键点：init 和 destroy 各调用一次，service 为每个请求调用一次。多个请求的 service 方法可能并发执行。

4. HttpServlet 详解

HttpServlet 是开发 HTTP Servlet 最常用的基类。它继承自 GenericServlet。

4.1 继承结构

java.lang.Object
| +-- GenericServlet (implements Servlet, ServletConfig, Serializable)
| +-- HttpServlet

4.2 核心方法

• service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp): 覆盖了 GenericServlet.service(ServletRequest, ServletResponse)。它根据 HTTP 请求方法 (GET, POST, PUT, DELETE, HEAD 等) 调用相应的 doXxx 方法。
• doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp): 处理 HTTP GET 请求。通常用于安全、幂等的操作，如查询数据。默认实现返回 HTTP 405 (Method Not Allowed) 错误。
• doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp): 处理 HTTP POST 请求。通常用于提交数据或执行非幂等操作（如创建资源）。默认实现返回 HTTP 405 错误。
• doPut(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp): 处理 HTTP PUT 请求。通常用于更新整个资源。默认实现返回 HTTP 405 错误。
• doDelete(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp): 处理 HTTP DELETE 请求。通常用于删除资源。默认实现返回 HTTP 405 错误。
• doHead(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp): 处理 HTTP HEAD 请求。与 GET 类似，但只返回头信息，不返回响应体。默认实现调用 doGet 并忽略响应体输出。
• doOptions(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp): 处理 HTTP OPTIONS 请求，返回服务器支持的 HTTP 方法。默认实现返回允许的方法列表。
• doTrace(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp): 处理 HTTP TRACE 请求（用于诊断）。默认实现返回客户端发送的请求信息。通常禁用。

最佳实践： 创建自定义 Servlet 时，继承 HttpServlet 并覆盖需要处理的 HTTP 方法对应的 doXxx 方法（最常见的是 doGet 和 doPost）。

4.3 处理 HTTP 请求参数

请求参数可以通过 URL 查询字符串 (GET) 或请求体 (POST, PUT) 传递。在 HttpServletRequest 中统一处理：

• String getParameter(String name): 获取单个参数值。如果参数不存在返回 null。
• String[] getParameterValues(String name): 获取多值参数（如复选框）的所有值。如果参数不存在返回 null。
• Map<String, String[]> getParameterMap(): 获取所有请求参数的 Map，键为参数名，值为字符串数组。
• Enumeration<String> getParameterNames(): 获取所有请求参数名的枚举。

注意： 处理参数时需注意字符编码，通常需要设置请求的编码（如 request.setCharacterEncoding("UTF-8")）以正确解析非 ASCII 字符。但 setCharacterEncoding 必须在 getParameter 之前调用才有效。

5. HttpServletRequest

HttpServletRequest 对象封装了客户端发送的所有 HTTP 请求信息。

5.1 获取请求信息

• HTTP 方法:String getMethod()
• 请求 URI:String getRequestURI() (如 /myapp/servlet/Hello)
• 上下文路径 (Context Path):String getContextPath() (如 /myapp)
• Servlet 路径 (Servlet Path):String getServletPath() (如 /servlet/Hello)
• 路径信息 (Path Info):String getPathInfo() (URI 中位于 Servlet 路径之后、查询字符串之前的部分，可为 null)
• 查询字符串 (Query String):String getQueryString() (如 name=John&age=30)
• 协议:String getProtocol()
• 远程地址:String getRemoteAddr(), String getRemoteHost()
• 请求头:String getHeader(String name), Enumeration<String> getHeaderNames(), int getIntHeader(String name), long getDateHeader(String name)
• Cookie:Cookie[] getCookies()

5.2 获取请求参数

如前所述 (getParameter, getParameterValues, getParameterMap)。

5.3 获取请求体

• ServletInputStream getInputStream(): 获取二进制输入流（用于文件上传、非文本数据）。
• BufferedReader getReader(): 获取字符输入流（用于文本数据，如表单 POST、JSON）。注意：getInputStream 和 getReader不能同时调用。

5.4 请求属性 (setAttribute, getAttribute)

• 属性存储在 request 对象中，仅在当前请求范围内有效（从请求开始到生成响应结束）。
• 常用于在 Servlet 之间或 Servlet 与 JSP 之间传递数据（通过 RequestDispatcher）。
• void setAttribute(String name, Object object)
• Object getAttribute(String name)
• void removeAttribute(String name)
• Enumeration<String> getAttributeNames()

5.5 请求分发 (RequestDispatcher)

用于将请求转发 (forward) 或包含 (include) 到另一个 Web 组件（Servlet、JSP 或 HTML）。

• 获取 RequestDispatcher:
  • RequestDispatcher getRequestDispatcher(String path): path 必须是相对路径（相对于当前上下文根），可以包含其他 Servlet 或 JSP。
  • RequestDispatcher getNamedDispatcher(String name): 通过 Servlet 名称获取。
  • 将请求完全交给目标资源处理，当前 Servlet 不再生成响应。响应由目标资源生成。
  • 浏览器地址栏 URL 不会改变。
  • 只能转发到同一应用内的资源。
  • 目标资源的输出被包含在当前 Servlet 的响应中。当前 Servlet 可以继续生成响应内容。
  • 常用于模板页面的公共部分（如页眉、页脚）。

包含 (include):

RequestDispatcher dispatcher = request.getRequestDispatcher("/path/to/include");
dispatcher.include(request, response);

转发 (forward):

RequestDispatcher dispatcher = request.getRequestDispatcher("/path/to/next");
dispatcher.forward(request, response);

6. HttpServletResponse

HttpServletResponse 对象用于生成发送回客户端的 HTTP 响应。

6.1 设置状态码

• void setStatus(int sc): 设置响应状态码 (如 SC_OK 200, SC_NOT_FOUND 404)。常量定义在 HttpServletResponse 接口中。
• void sendError(int sc, String msg): 同上，并指定错误消息。

void sendError(int sc): 发送错误状态码，并可选择包含错误消息。

response.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_FOUND, "Resource not found");

6.2 设置响应头

• void setHeader(String name, String value): 设置一个响应头。如果该头已存在，则覆盖。
• void addHeader(String name, String value): 添加一个响应头。如果该头允许多个值，则追加。
• void setContentType(String type): 设置响应内容类型 (text/html, application/json 等)。 非常重要，它告诉浏览器如何解释响应体。
• void setCharacterEncoding(String charset): 设置响应体的字符编码 (如 UTF-8)。通常结合 setContentType 使用：response.setContentType("text/html;charset=UTF-8");。
• void setDateHeader(String name, long date): 设置包含日期值的响应头。
• void setIntHeader(String name, int value): 设置包含整数值的响应头。
• 常用头示例：
  • response.setHeader("Cache-Control", "no-cache, no-store, must-revalidate"); (禁用缓存)
  • response.setHeader("Pragma", "no-cache"); (兼容旧版 HTTP/1.0)
  • response.setHeader("Expires", "0");
  • response.setHeader("Location", "http://www.example.com/newpage"); (用于重定向)
  • response.addCookie(Cookie cookie) (设置 Cookie，内部处理 Set-Cookie 头)

6.3 获取输出流

• ServletOutputStream getOutputStream(): 获取用于写入二进制数据（如图片、文件）的输出流。
• PrintWriter getWriter(): 获取用于写入文本数据（如 HTML, JSON）的字符输出流。
• 注意：getOutputStream 和 getWriter不能同时调用。选择哪个取决于要发送的内容类型。

6.4 重定向 (sendRedirect)

response.sendRedirect("http://www.example.com/newpage"); // 绝对URL
response.sendRedirect("/myapp/newpath"); // 相对于上下文根的URL

• 告诉浏览器去请求一个新的 URL。浏览器地址栏会改变。
• 相当于设置状态码为 302 Found (或 SC_MOVED_TEMPORARILY) 和 Location 头。
• 与转发 (forward) 不同，重定向是客户端的二次请求。

6.5 响应内容类型与编码

• 务必在获取输出流 之前 设置内容类型 (setContentType) 和字符编码 (setCharacterEncoding 或包含在 setContentType 中)。
• 常见 MIME 类型：
  • text/html: HTML 文档
  • text/plain: 纯文本
  • application/json: JSON 数据
  • application/xml: XML 数据
  • image/jpeg, image/png, image/gif: 图片
  • application/pdf: PDF 文档
  • application/octet-stream: 二进制流 (文件下载)

7. 会话管理 (HttpSession)

HTTP 是无状态协议。会话管理用于在多个 HTTP 请求间跟踪用户状态。

7.1 会话的概念

• Session: 服务器端为每个用户创建的一个会话对象，用于存储用户相关的数据。
• Session ID: 唯一标识一个会话的字符串。通常通过 Cookie (JSESSIONID) 或 URL 重写 在客户端和服务器间传递。
  • Cookie (默认方式): 容器自动创建 JSESSIONID Cookie。浏览器每次请求都会带上它。
  • URL 重写: 在 URL 后附加 ;jsessionid=...。用于浏览器禁用 Cookie 的情况。可通过 response.encodeURL(String url) 或 response.encodeRedirectURL(String url) 自动添加。

7.2 获取或创建 Session

HttpSession session = request.getSession(); // 获取现有session，如果没有则创建一个新的。
HttpSession session = request.getSession(false); // 获取现有session，如果没有则返回null。

7.3 在 Session 中存储/获取/移除数据

• 存储数据:void setAttribute(String name, Object value)
• 获取数据:Object getAttribute(String name) (不存在返回 null)
• 移除数据:void removeAttribute(String name)
• 获取所有属性名:Enumeration<String> getAttributeNames()

7.4 会话超时配置

Session 级别 (编程):

session.setMaxInactiveInterval(60 * 30); // 设置超时时间（秒），30分钟
int interval = session.getMaxInactiveInterval(); // 获取当前超时时间（秒）

容器级别 (web.xml):

<session-config>
    <session-timeout>30</session-timeout> <!-- 超时时间（分钟），30分钟 -->
</session-config>

7.5 使 Session 失效 (invalidate())

• 当用户注销或会话需要结束时调用。
• 移除该 Session 对象及其所有属性。

session.invalidate();

8. Servlet 配置

Servlet 可以通过传统的 web.xml 文件或注解进行配置。

8.1 ServletConfig

• 每个 Servlet 实例都有自己唯一的 ServletConfig 对象。
• 在 init(ServletConfig config) 方法中由容器传入。
• 主要方法：
  • String getServletName(): 获取 Servlet 名称。
  • ServletContext getServletContext(): 获取 ServletContext。
  • String getInitParameter(String name): 获取 Servlet 初始化参数。
  • Enumeration<String> getInitParameterNames(): 获取所有初始化参数名。

8.2 web.xml 部署描述符配置

声明 Servlet (<servlet>):

<servlet>
    <servlet-name>HelloServlet</servlet-name> <!-- 唯一标识名 -->
    <servlet-class>com.example.HelloServlet</servlet-class> <!-- 完整类名 -->
    <init-param> <!-- 可选：初始化参数 -->
        <param-name>message</param-name>
        <param-value>Welcome!</param-value>
    </init-param>
    <load-on-startup>1</load-on-startup> <!-- 可选：启动时加载顺序 (数字越小优先级越高) -->
</servlet>

映射 Servlet (<servlet-mapping>):

<servlet-mapping>
    <servlet-name>HelloServlet</servlet-name> <!-- 指向上面定义的servlet-name -->
    <url-pattern>/hello</url-pattern> <!-- 匹配的URL模式，如 /hello, /greet/*, *.do -->
</servlet-mapping>

8.3 基于注解的配置 (@WebServlet)

• Servlet 3.0+ 引入了注解，简化配置。
• 在 Servlet 类上使用 @WebServlet 注解：

import jakarta.servlet.annotation.WebServlet;
import jakarta.servlet.http.HttpServlet;

@WebServlet(
    name = "AnnotationServlet",
    urlPatterns = {"/annotated", "/anno/*"},
    initParams = {
        @WebInitParam(name = "param1", value = "value1"),
        @WebInitParam(name = "param2", value = "value2")
    },
    loadOnStartup = 1
)
public class AnnotationServlet extends HttpServlet {
    // ... doGet, doPost 等方法
}

• 优点: 简洁，Servlet 定义和映射在一起。
• 注意: 容器需要支持 Servlet 3.0+。在 web.xml 中设置 <metadata-complete>true</metadata-complete> 会禁用注解扫描。

9. Servlet 上下文 (ServletContext)

ServletContext 代表整个 Web 应用程序。每个 Web 应用只有一个 ServletContext 对象。它在应用启动时创建，应用卸载时销毁。所有 Servlet、Filter、Listener 共享同一个 ServletContext。

9.1 应用范围共享数据

• 存储数据:void setAttribute(String name, Object object)
• 获取数据:Object getAttribute(String name) (不存在返回 null)
• 移除数据:void removeAttribute(String name)
• 获取所有属性名:Enumeration<String> getAttributeNames()

9.2 获取应用初始化参数

在 web.xml 的 <context-param> 中定义：

<context-param>
    <param-name>jdbcUrl</param-name>
    <param-value>jdbc:mysql://localhost:3306/mydb</param-value>
</context-param>

在 Servlet 中获取：

String jdbcUrl = getServletContext().getInitParameter("jdbcUrl");

9.3 获取资源路径

• URL getResource(String path): 获取资源的 URL。
• InputStream getResourceAsStream(String path): 获取资源的输入流。常用于读取类路径或 WEB-INF 下的文件。

InputStream is = getServletContext().getResourceAsStream("/WEB-INF/config.properties");

• String getRealPath(String path): 将相对于 Web 应用根目录的虚拟路径转换为文件系统的绝对路径。常用于访问 WEB-INF 目录下的文件。

String configPath = getServletContext().getRealPath("/WEB-INF/config.properties");

9.4 日志记录 (log)

• void log(String msg): 记录一般信息。
• void log(String message, Throwable throwable): 记录错误信息和异常堆栈。
• 日志输出位置由容器配置（通常是服务器的日志文件）。

10. Servlet 过滤器 (Filter)

过滤器在请求到达 Servlet (或其他资源) 之前，或响应发送给客户端之前，拦截请求和响应。用于执行横切关注点 (Cross-cutting Concerns)。

10.1 过滤器的概念与作用

• 日志记录: 记录请求、响应信息，统计耗时。
• 安全: 身份验证、授权检查。
• 数据转换: 请求/响应字符编码设置、数据压缩。
• 审计: 记录用户操作。
• 调试: 调试信息注入。

10.2 过滤器生命周期

类似于 Servlet：

• init(FilterConfig filterConfig): 初始化时调用一次。
• doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain): 每次请求/响应时调用。必须调用 chain.doFilter(request, response) 将请求传递给链中的下一个组件（可能是另一个过滤器或目标资源）。
• destroy(): 销毁时调用一次。

10.3 配置过滤器

web.xml 配置:

<filter>
    <filter-name>LoggingFilter</filter-name>
    <filter-class>com.example.LoggingFilter</filter-class>
    <init-param>
        <param-name>logLevel</param-name>
        <param-value>INFO</param-value>
    </init-param>
</filter>
<filter-mapping>
    <filter-name>LoggingFilter</filter-name>
    <url-pattern>/*</url-pattern> <!-- 过滤所有请求 -->
    <!-- 也可用 <servlet-name> 指定特定 Servlet -->
</filter-mapping>

注解配置 (@WebFilter):

import jakarta.servlet.annotation.WebFilter;
import jakarta.servlet.annotation.WebInitParam;
import jakarta.servlet.Filter;

@WebFilter(
    filterName = "AnnotatedFilter",
    urlPatterns = {"/*"},
    initParams = {
        @WebInitParam(name = "encoding", value = "UTF-8")
    }
)
public class EncodingFilter implements Filter {
    // ... init, doFilter, destroy 方法
}

10.4 过滤器链 (FilterChain)

• 多个过滤器可以串联成一个链。
• 在 doFilter 方法中，调用 chain.doFilter(request, response) 将控制权交给链中的下一个过滤器或目标资源。

目标资源处理完请求后，响应会逆序经过过滤器链返回给客户端。因此可以在 chain.doFilter之后 对响应进行处理（如添加头、压缩）。

public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain) throws IOException, ServletException {
    // 前置处理 (请求到达目标资源前)
    chain.doFilter(request, response);
    // 传递给下一个过滤器或目标资源
    // 后置处理 (目标资源生成响应后)
}

11. Servlet 监听器 (Listener)

监听器用于监听 Web 应用中发生的事件（如 ServletContext 创建/销毁、Session 创建/销毁/属性更改、Request 创建/销毁）。

11.1 监听器的概念与作用

• 初始化/清理: 在应用启动/关闭时加载/释放全局资源（如数据库连接池）。
• 会话跟踪: 统计在线用户数、监听会话创建销毁。
• 请求监控: 记录请求生命周期。
• 属性变更: 监听上下文、会话、请求中属性的变化。

11.2 主要监听器接口

• ServletContextListener: 监听 ServletContext 的创建和销毁事件。
  • void contextInitialized(ServletContextEvent sce): 应用启动，ServletContext 创建后调用。
  • void contextDestroyed(ServletContextEvent sce): 应用关闭，ServletContext 销毁前调用。
• HttpSessionListener: 监听 HttpSession 的创建和销毁事件。
  • void sessionCreated(HttpSessionEvent se): Session 创建后调用。
  • void sessionDestroyed(HttpSessionEvent se): Session 销毁前调用。
• ServletRequestListener: 监听 ServletRequest 的创建和销毁事件。
  • void requestInitialized(ServletRequestEvent sre): 请求开始时调用。
  • void requestDestroyed(ServletRequestEvent sre): 请求结束时调用。
• ServletContextAttributeListener: 监听 ServletContext 中属性的添加、移除、替换事件。
• HttpSessionAttributeListener: 监听 HttpSession 中属性的添加、移除、替换事件。
• ServletRequestAttributeListener: 监听 ServletRequest 中属性的添加、移除、替换事件。

11.3 配置监听器

web.xml 配置:

<listener>
    <listener-class>com.example.MyContextListener</listener-class>
</listener>

注解配置 (@WebListener):

import jakarta.servlet.annotation.WebListener;
import jakarta.servlet.ServletContextListener;

@WebListener
public class MyContextListener implements ServletContextListener {
    // ... contextInitialized, contextDestroyed 方法
}

12. 异步 Servlet

传统 Servlet 模型是阻塞的：一个线程处理一个请求直到响应完成。对于耗时操作（如长查询、外部服务调用），线程会被长时间占用，影响服务器吞吐量。

12.1 传统 Servlet 的阻塞模型限制

• 线程池中的线程可能被耗尽。
• 高并发下性能下降。

12.2 异步处理支持

Servlet 3.0+ 引入了异步处理。通过注解或 web.xml 声明 Servlet 支持异步：

• 注解:@WebServlet(asyncSupported = true)
• web.xml:<servlet><async-supported>true</async-supported></servlet>

12.3 AsyncContext 接口

核心对象是 AsyncContext，它代表一个异步操作上下文。

• 启动异步: 在 doXxx 方法中调用 AsyncContext startAsync(ServletRequest request, ServletResponse response)。这告诉容器当前线程可以释放，异步操作将在另一个线程中完成。
• 完成异步: 在异步操作完成后，调用 asyncContext.complete() 通知容器请求处理完成。
• 分发: 也可以调用 asyncContext.dispatch(String path) 将请求分发到另一个资源（Servlet/JSP）去生成响应，类似于 RequestDispatcher，但发生在异步线程中。

12.4 使用场景

• 长轮询 (Long Polling): 客户端发起请求，服务器在有新数据时才响应。
• 服务器推送 (Server Push): 服务器主动向客户端推送数据。
• 长时间计算: 将耗时计算交给后台线程，主线程立即返回。

基本模式:

@WebServlet(urlPatterns = "/async", asyncSupported = true)
public class AsyncServlet extends HttpServlet {
    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        // 1. 启动异步上下文
        AsyncContext asyncContext = request.startAsync();
        asyncContext.setTimeout(30000); // 设置超时时间（毫秒）

        // 2. 将耗时任务提交给另一个线程池或Executor
        executor.submit(() -> {
            try {
                // 模拟耗时操作
                Thread.sleep(5000);

                // 3. 在异步线程中获取响应对象并写入响应
                HttpServletResponse asyncResponse = (HttpServletResponse) asyncContext.getResponse();
                asyncResponse.setContentType("text/plain");
                asyncResponse.getWriter().write("Async Response after 5 seconds");
            } catch (Exception e) {
                // 处理异常
            } finally {
                // 4. 必须调用 complete() 通知容器请求完成
                asyncContext.complete();
            }
        });
        // doGet 方法立即返回，原始线程释放
    }
}

13. Servlet 与 Spring Boot

Spring Boot 极大地简化了基于 Servlet 的 Web 应用的开发，但它底层仍然运行在 Servlet 容器（如 Tomcat）之上。

13.1 Spring Boot 对 Servlet 的支持

• 嵌入式容器： Spring Boot 默认将 Servlet 容器（Tomcat, Jetty, Undertow）作为应用的一部分嵌入，无需单独安装和部署 WAR 文件。spring-boot-starter-web 依赖包含了 Tomcat 和 Spring MVC。
• 自动配置： Spring Boot 自动配置 Servlet 容器、DispatcherServlet、字符编码过滤器等。

13.2 自动配置 Servlet 组件

Spring Boot 提供了 RegistrationBean 来方便地注册 Servlet、Filter、Listener：

• ServletRegistrationBean: 注册自定义 Servlet。
• FilterRegistrationBean: 注册自定义 Filter。
• ServletListenerRegistrationBean: 注册自定义 Listener。

13.3 在 Spring Boot 中定义 Servlet/Filter/Listener

方法一：使用 @ServletComponentScan + @WebServlet/@WebFilter/@WebListener

在 Servlet/Filter/Listener 类上使用相应的注解：

@WebServlet(urlPatterns = "/custom")
public class CustomServlet extends HttpServlet { ... }

@WebFilter(urlPatterns = "/*")
public class CustomFilter implements Filter { ... }

@WebListener
public class CustomListener implements ServletContextListener { ... }

在主应用类上添加 @ServletComponentScan：

@SpringBootApplication
@ServletComponentScan // 扫描 @WebServlet, @WebFilter, @WebListener
public class MyApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(MyApplication.class, args);
    }
}

方法二：使用 @Bean + RegistrationBean (更灵活，可控制顺序)

@Configuration
public class ServletConfig {
    @Bean
    public ServletRegistrationBean<CustomServlet> customServletRegistration() {
        ServletRegistrationBean<CustomServlet> registrationBean = new ServletRegistrationBean<>();
        registrationBean.setServlet(new CustomServlet());
        registrationBean.addUrlMappings("/custom");
        registrationBean.setLoadOnStartup(1);
        return registrationBean;
    }

    @Bean
    public FilterRegistrationBean<CustomFilter> customFilterRegistration() {
        FilterRegistrationBean<CustomFilter> registrationBean = new FilterRegistrationBean<>();
        registrationBean.setFilter(new CustomFilter());
        registrationBean.addUrlPatterns("/*");
        registrationBean.setOrder(Ordered.HIGHEST_PRECEDENCE); // 设置过滤器顺序
        return registrationBean;
    }

    @Bean
    public ServletListenerRegistrationBean<CustomListener> customListenerRegistration() {
        return new ServletListenerRegistrationBean<>(new CustomListener());
    }
}

13.4 Spring MVC DispatcherServlet 与 Servlet 的关系

• Spring MVC 的核心是 DispatcherServlet，它是一个标准的 HttpServlet。
• 它充当前端控制器 (Front Controller)，接收所有匹配其映射的请求。
• 它负责将请求路由到合适的控制器 (@Controller)、处理器 (@RestController)，处理视图解析、异常处理等。
• 在 Spring Boot 中，DispatcherServlet 被自动注册，映射路径默认为 / (根路径)。可以通过 spring.mvc.servlet.path 属性修改。

13.5 在 Spring Boot 中访问 Servlet API

在 Spring MVC 的控制器 (@Controller, @RestController) 中，可以直接将 HttpServletRequest, HttpServletResponse, HttpSession 作为方法参数注入：

@RestController
public class MyController {
    @GetMapping("/info")
    public String getRequestInfo(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        String userAgent = request.getHeader("User-Agent");
        // ... 使用 request, response
        return "Info: " + userAgent;
    }

    @PostMapping("/login")
    public ResponseEntity<?> login(@RequestBody LoginRequest loginRequest, HttpSession session) {
        // ... 验证逻辑
        session.setAttribute("user", authenticatedUser);
        return ResponseEntity.ok().build();
    }
}

也可以通过 ServletRequestAttributes 和 RequestContextHolder 在非控制器类中获取：

ServletRequestAttributes attributes = (ServletRequestAttributes) RequestContextHolder.currentRequestAttributes();
HttpServletRequest request = attributes.getRequest();
HttpServletResponse response = attributes.getResponse();

14. Servlet 最佳实践

14.1 线程安全注意事项

• 避免使用实例变量： Servlet 实例通常单例，多个请求并发访问 service/doXxx 方法。实例变量会被所有请求共享，导致数据错乱。不要在 Servlet 中使用实例变量存储请求特定状态！
• 使用局部变量： 请求特定的数据应存储在方法局部变量或请求对象 (request, session) 中。
• 同步谨慎： 如果必须使用共享资源（如计数器），使用同步机制 (synchronized)，但会影响性能。

14.2 资源管理与关闭流

• 在 finally 块中关闭 InputStream, OutputStream, Reader, Writer, 数据库 Connection, Statement, ResultSet 等资源。

使用 try-with-resources (Java 7+) 自动关闭资源：

try (PrintWriter out = response.getWriter()) {
    out.println("Hello World");
} // 自动关闭 out

14.3 异常处理

• 使用 try-catch 捕获并处理预期异常。
• 对于未捕获的异常，容器通常会生成一个包含堆栈跟踪的错误页面（不友好）。
• 在 Servlet 中，使用 response.sendError() 发送特定错误状态码和消息。

可以配置错误页面 (web.xml):

<error-page>
    <exception-type>java.lang.Exception</exception-type>
    <location>/error.jsp</location>
</error-page>
<error-page>
    <error-code>404</error-code>
    <location>/notfound.html</location>
</error-page>

14.4 性能考虑

• 避免同步： 如非必要，避免使用 synchronized。
• 使用连接池： 数据库连接、HTTP 客户端连接等使用连接池管理。
• 缓存： 对频繁访问且变化不频繁的数据使用缓存。
• 异步处理： 对于耗时操作，考虑使用异步 Servlet。
• 优化数据库查询： 使用索引，避免 N+1 查询。

14.5 安全考虑

• 防止跨站脚本攻击 (XSS): 对用户输入进行输出编码，避免直接将用户输入输出到 HTML/JS 中。使用库如 OWASP Java Encoder。
• 防止跨站请求伪造 (CSRF): 使用框架提供的 CSRF 保护机制（如 Spring Security），或生成并验证 Token。
• 防止 SQL 注入： 使用 PreparedStatement 进行数据库操作，永远不要拼接 SQL 字符串。
• 输入验证： 验证所有用户输入（类型、长度、格式、范围）。
• 敏感数据处理： 密码等敏感数据应加盐哈希存储，避免明文。
• HTTPS： 使用 HTTPS 加密传输数据。
• 最小权限原则： 应用程序连接数据库等资源时使用最小必要权限的账户。
• 安全配置： 确保服务器、框架的安全配置正确（如禁用不安全的 HTTP 方法）。

15. 实战案例

案例一：基础用户登录与会话管理

功能： 用户通过表单提交用户名和密码，验证成功后创建 Session 记录登录状态，访问受保护页面需要登录。

// LoginServlet.java
@WebServlet("/login")
public class LoginServlet extends HttpServlet {
    // 简单的内存用户存储 (实际应用中应从数据库获取)
    private Map<String, String> validUsers = new HashMap<>();
    {
        validUsers.put("admin", "admin123"); // 弱密码仅作示例，实际应用需加盐哈希
        validUsers.put("user", "userpass");
    }

    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        // 显示登录表单
        response.setContentType("text/html;charset=UTF-8");
        PrintWriter out = response.getWriter();
        out.println("<html><body>");
        out.println("<h2>用户登录</h2>");
        out.println("<form method='POST'>");
        out.println("用户名： <input type='text' name='username'><br>");
        out.println("密码： <input type='password' name='password'><br>");
        out.println("<input type='submit' value='登录'>");
        out.println("</form>");
        out.println("</body></html>");
    }

    @Override
    protected void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        String username = request.getParameter("username");
        String password = request.getParameter("password");

        // 验证用户名和密码
        if (validUsers.containsKey(username) && validUsers.get(username).equals(password)) {
            // 登录成功，创建 Session
            HttpSession session = request.getSession();
            session.setAttribute("user", username);
            // 重定向到欢迎页面
            response.sendRedirect("welcome");
        } else {
            // 登录失败
            response.setContentType("text/html;charset=UTF-8");
            PrintWriter out = response.getWriter();
            out.println("<html><body>");
            out.println("<h2>登录失败！用户名或密码错误。</h2>");
            out.println("<a href='login'>返回登录</a>");
            out.println("</body></html>");
        }
    }
}

// WelcomeServlet.java (受保护资源)
@WebServlet("/welcome")
public class WelcomeServlet extends HttpServlet {
    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        // 检查用户是否登录 (Session 中是否有 user)
        HttpSession session = request.getSession(false); // 不创建新session
        if (session == null || session.getAttribute("user") == null) {
            // 未登录，重定向到登录页
            response.sendRedirect("login");
            return;
        }

        // 用户已登录，显示欢迎信息
        String username = (String) session.getAttribute("user");
        response.setContentType("text/html;charset=UTF-8");
        PrintWriter out = response.getWriter();
        out.println("<html><body>");
        out.println("<h2>欢迎，" + username + "!</h2>");
        out.println("<p>这是您的个人主页。</p>");
        out.println("<a href='logout'>注销</a>");
        out.println("</body></html>");
    }
}

// LogoutServlet.java
@WebServlet("/logout")
public class LogoutServlet extends HttpServlet {
    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        // 获取 Session (如果存在)
        HttpSession session = request.getSession(false);
        if (session != null) {
            // 使 Session 失效
            session.invalidate();
        }
        // 重定向到登录页
        response.sendRedirect("login");
    }
}

案例二：文件上传 Servlet

功能： 允许用户上传文件到服务器。

@WebServlet("/upload")
@MultipartConfig // 必须的注解，用于处理 multipart/form-data 请求
public class FileUploadServlet extends HttpServlet {
    private static final String UPLOAD_DIR = "uploads"; // 上传目录 (相对于应用根目录)

    @Override
    protected void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        // 确保上传目录存在
        String appPath = request.getServletContext().getRealPath("");
        String uploadPath = appPath + File.separator + UPLOAD_DIR;
        File uploadDir = new File(uploadPath);
        if (!uploadDir.exists()) {
            uploadDir.mkdir();
        }

        response.setContentType("text/html;charset=UTF-8");
        PrintWriter out = response.getWriter();
        try {
            // 获取上传的文件部分
            Part filePart = request.getPart("file"); // "file" 是表单中文件字段的 name
            String fileName = getSubmittedFileName(filePart); // 获取原始文件名

            // 防止路径遍历攻击 (确保只有文件名，没有路径)
            fileName = new File(fileName).getName();

            // 写入文件
            String filePath = uploadPath + File.separator + fileName;
            filePart.write(filePath);

            out.println("<html><body>");
            out.println("<h2>文件上传成功!</h2>");
            out.println("<p>文件名：" + fileName + "</p>");
            out.println("<p>保存路径：" + filePath + "</p>");
            out.println("<a href='upload.html'>继续上传</a>"); // 假设有一个上传表单页面
            out.println("</body></html>");
        } catch (Exception e) {
            out.println("<html><body>");
            out.println("<h2>上传失败!</h2>");
            out.println("<p>错误：" + e.getMessage() + "</p>");
            out.println("</body></html>");
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 辅助方法：从 Part 中提取原始文件名 (不同容器实现可能不同)
    private String getSubmittedFileName(Part part) {
        for (String content : part.getHeader("content-disposition").split(";")) {
            if (content.trim().startsWith("filename")) {
                return content.substring(content.indexOf('=') + 1).trim().replace("\"", "");
            }
        }
        return null;
    }
}

对应的上传表单 (upload.html):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>文件上传</title>
</head>
<body>
    <h2>上传文件</h2>
    <form action="upload" method="POST" enctype="multipart/form-data">
        选择文件： <input type="file" name="file"><br>
        <input type="submit" value="上传">
    </form>
</body>
</html>

案例三：异步 Servlet 实现简单消息推送

功能： 模拟一个长轮询接口，客户端请求后，服务器在 5 秒后返回响应。

@WebServlet(urlPatterns = "/longpoll", asyncSupported = true)
public class LongPollingServlet extends HttpServlet {
    private ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();

    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        // 启动异步上下文
        AsyncContext asyncContext = request.startAsync();
        asyncContext.setTimeout(30000); // 设置超时时间 30 秒

        // 提交一个延迟任务到线程池
        executor.submit(() -> {
            try {
                // 模拟耗时操作 (等待 5 秒)
                Thread.sleep(5000);

                // 获取异步响应对象
                HttpServletResponse asyncResponse = (HttpServletResponse) asyncContext.getResponse();
                asyncResponse.setContentType("text/plain");
                asyncResponse.getWriter().write("Server response after 5 seconds delay.");
            } catch (Exception e) {
                // 处理异常
                asyncContext.getResponse().setStatus(HttpServletResponse.SC_INTERNAL_SERVER_ERROR);
            } finally {
                // 完成异步操作
                asyncContext.complete();
            }
        });
        // doGet 方法立即返回
    }
}

案例四：Spring Boot 中自定义 Filter 实现请求日志与耗时统计

功能： 记录每个请求的 URL、方法、客户端 IP、处理耗时。

// LoggingFilter.java
public class LoggingFilter implements Filter {
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(LoggingFilter.class);

    @Override
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain) throws IOException, ServletException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        // 记录请求信息
        HttpServletRequest httpRequest = (HttpServletRequest) request;
        String uri = httpRequest.getRequestURI();
        String method = httpRequest.getMethod();
        String clientIP = httpRequest.getRemoteAddr();

        // 继续处理请求链
        chain.doFilter(request, response);

        // 计算耗时
        long duration = System.currentTimeMillis() - startTime;

        // 记录响应信息 (状态码需转换类型)
        int status = ((HttpServletResponse) response).getStatus();
        logger.info("{} {} from IP: {}, Status: {}, Duration: {} ms", method, uri, clientIP, status, duration);
    }

    // ... init, destroy 方法 (可选)
}

在 Spring Boot 中注册 Filter (使用 @Bean):

@Configuration
public class WebConfig {
    @Bean
    public FilterRegistrationBean<LoggingFilter> loggingFilter() {
        FilterRegistrationBean<LoggingFilter> registrationBean = new FilterRegistrationBean<>();
        registrationBean.setFilter(new LoggingFilter());
        registrationBean.addUrlPatterns("/*"); // 过滤所有请求
        registrationBean.setOrder(Ordered.LOWEST_PRECEDENCE - 1); // 尽量靠后执行，确保能记录最终状态
        return registrationBean;
    }
}