Java Servlet规范3.1：深入解析

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"Servlet3.1规范中文版，由Rajiv Mordani、Shing Wai Chan撰写，穆茂强、张开涛翻译，Oracle公司发布，旨在为Java Servlet API提供详细和清晰的解释，包括参考实现和兼容性测试套件。此规范面向Web服务器和应用服务器供应商、工具供应商以及熟练的Servlet开发者。" Servlet3.1规范是Java Servlet API的最新版本，主要在Servlet3.0的基础上进行了扩展和改进，旨在提升Web应用程序的开发效率和灵活性。以下是Servlet3.1规范的一些关键知识点： 1. **异步处理增强**：Servlet3.1引入了更强大的异步处理能力，允许Servlet在不阻塞线程的情况下处理请求，从而提高了服务器的并发性能。开发者可以通过`AsyncContext`类来控制异步操作，实现非阻塞I/O。 2. **WebSocket支持**：Servlet3.1规范首次引入了对WebSocket协议的支持，使得Java服务器可以直接与客户端建立长期连接，进行双向通信，降低了实时Web应用的复杂性。 3. **HTTP/2和ALPN支持**：Servlet3.1增加了对HTTP/2协议的原生支持，通过使用ALPN（Application-Layer Protocol Negotiation）协议，服务器可以动态选择最合适的协议版本，如HTTP/2或HTTP/1.1，以提高通信效率。 4. **微调安全**：规范强化了安全方面的要求，例如增加了对TLS协议的控制，使得开发者可以更精确地配置HTTPS连接的加密参数，如SSL证书和密码。 5. **注解驱动的部署**：在Servlet3.0引入注解的基础上，Servlet3.1进一步增强了注解的使用，允许开发者通过注解直接在类或方法级别声明Servlet、过滤器和监听器，减少了web.xml部署描述符的依赖。 6. **ServletContextListener的改进**：现在可以使用`@WebListener`注解来声明监听器，而无需在web.xml中配置，这简化了应用程序的初始化过程。 7. **更好的资源管理**：Servlet3.1规范允许开发者通过`ServletContext`获取到Web应用内的静态资源，提供了更灵活的资源访问方式。 8. **NIO.2支持**：Servlet3.1采用了Java NIO.2 API，提供了更好的文件上传和下载功能，同时支持非阻塞I/O，提高了性能。 9. **预编译的JSP**：为了提高JSP页面的加载速度，Servlet3.1支持预编译JSP为Java类，使得JSP的处理更接近Servlet。 10. **MIME类型匹配**：Servlet3.1增强了MIME类型匹配规则，使得服务器可以根据文件扩展名自动推断MIME类型。 Servlet3.1规范为Java Web开发带来了诸多新特性和改进，极大地提升了开发效率和应用程序的性能。对于Web服务器和应用服务器供应商来说，这意味着更高的可扩展性和更低的资源消耗；对于工具供应商，提供了更丰富的API和功能以支持开发工具；对于Servlet开发者，意味着编写更简洁、高效的代码成为可能。

2.1.3 支持条件响应 GET 请求

HttpServlet 接口定义了 getLastModified 方法来支持条件响应 GET 请求操作。所谓条件响应 GET 请求操作

是指客户端在请求一个资源时，只有在某个特定时间之后这个资源被修改过，才会重新发送这个请求资源，

否则将使用客户端缓存的数据。在适当的情况下，实现此方法可能有助于有效利用网络资源，减少不必要

的数据发送。

2.2 实例数量

通过注解（第 8 章 “注解和可插拔性”中描述）或者在 Web 应用程序的部署描述符（第 14 章 “部署描

述符”中描述）中声明的 servlet，控制着 servlet 容器如何提供 servlet 实例。

对于未托管在分布式环境中（默认）的 servlet 而言，servlet 容器对于每一个 Servlet 声明必须且只能产生一

个实例。不过，如果 Servlet 实现了 SingleThreadModel 接口，servlet 容器可以选择实例化多个实例以便处

理高负荷请求或者把请求序列化成一个特定实例。

如果 servlet 以分布式方式进行部署，容器可以为每个虚拟机（JVM）的每个 Servlet 声明产生一个实例。但

是，如果在分布式环境中 servlet 实现了 SingleThreadModel 接口，此时容器可以为每个容器的 JVM 实例化

多个 Servlet 实例。

2.2.1 关于 Single Thread Model 的注意事项

SingleThreadModel 接口的作用是保证一个特定 servlet实例的 service方法在一个时刻仅能被一个线程执行，

一定要注意，此保证仅适用于每一个 servlet 实例，因为容器可以选择池化这些对象。有些对象可以在同一

时刻被多个 servlet 实例访问，如 HttpSession 实例，可以在一个特定的时间对多个 Servlet 可用，包括那些

实现了 SingleThreadModel 接口的 Servlet。

推荐开发人员采用其他手段来解决这些问题，而不是实现这个接口，比如避免使用实例变量或使用同步代

码块来访问这些资源。SingleThreadModel 接口在这个版本的规范中已经作废了。

2.3 Servlet 生命周期

Servlet 通过一个定义良好的生命周期来进行管理，该生命周期规定了 Servlet 如何被加载、实例化、初始化、

处理客户端请求，以及何时结束服务。该生命周期可以通过 javax.servlet.Servlet 接口中的 init、service 和

destroy 这些 API 来表示，所有 Servlet 必须直接或间接的实现 GenericServlet 或 HttpServlet 抽象类。

2.3.1 加载和实例化

Servlet 容器负责加载和实例化 Servlet。加载和实例化可以发生在容器启动时，或者延迟初始化直到容器决

定有请求需要处理时。

当 Servlet 引擎启动后，servlet 容器必须定位所需要的 Servlet 类。Servlet 容器使用普通的 Java 类加载设施

加载 Servlet 类。可以从本地文件系统或远程文件系统或者其他网络服务加载。

加载完 Servlet 类后，容器就可以实例化它并使用了。

2.3.2 初始化

一旦一个 Servlet 对象实例化完毕，容器接下来必须在处理客户端请求之前初始化该 Servlet 实例。初始化

的目的是以便 Servlet 能读取持久化配置数据，初始化一些代价高的资源（比如基于 JDBC™ API 连接），

或者执行一些一次性的动作。容器通过调用 Servlet 接口的 init 方法来初始化 servlet 实例，并且提供一个唯

一的实现 ServletConfig 接口的对象作为参数。这个配置对象允许 Servlet 访问由 Web 应用的配置信息提供

的键-值对的初始化参数。该配置对象也提供给 Servlet 去访问一个实现了 ServletContext 接口的对象，

ServletContext 描述了 Servlet 的运行时环境。请参考第 4 章，“Servlet Context”获取 ServletContext 接口的

更多信息。

2.3.2.1 初始化时的错误条件

在初始化阶段，servlet 实现可能抛出 UnavailableException 或 ServletException 异常。在这种情况下，Servlet

不能放置到活动服务中，而且 Servlet 容器必须释放它。如果初始化没有成功，destroy 方法不应该被调用。

在实例初始化失败后容器可能再实例化和初始化一个新的实例。此规则的例外是，当抛出的

UnavailableException 表示一个不可用的最小时间，容器在创建和初始化一个新的 servlet 实例之前必须等待

一段时间。

2.3.2.2 使用工具时的注意事项

当一个工具加载并内省某个 Web 应用程序时触发的静态初始化，这种用法与调用 init 初始化方法是有区别

的。在 Servlet 的 init 方法没被调用前，开发人员不应该假定其处于活动的容器环境内。比如，当某个 Servlet

仅有静态初始化方法被调用时，不应该与数据库或企业级 JavaBean（EJB）容器建立连接。

2.3.3 请求处理

Servlet 完成初始化后，Servlet 容器就可以使用它处理客户端请求了。客户端请求由 ServletRequest 类型的

request 对象表示。Servlet 封装响应并返回给请求的客户端，该响应由 ServletResponse 类型的 response 对象

表示。这两个对象（request 和 response）是由容器通过参数传递到 Servlet 接口的 service 方法的。

在 HTTP 请求的场景下，容器提供的请求和响应对象具体类型分别是 HttpServletRequest 和

HttpServletResponse。

需要注意的是，由 Servlet 容器初始化的某个 Servlet 实例在服务期间，可以在其生命周期中不处理任何请

求。

2.3.3.1 多线程问题

Servlet 容器可以并发的发送多个请求到 Servlet 的 service 方法。为了处理这些请求，Servlet 开发者必须为

service 方法的多线程并发处理做好充足的准备。一个替代的方案是开发人员实现 SingleThreadModel 接口，

由容器保证一个 service 方法在同一个时间点仅被一个请求线程调用，但是此方案是不推荐的。Servlet 容器

可以通过序列化 Servlet 的请求，或者维护一个 Servlet 实例池来满足这个需求。如果 Web 应用中的 Servlet

被标注为分布式的，容器应该为每一个分布式应用程序的 JVM 维护一个 Servlet 实例池。

对于那些没有实现 SingleThreadModel 接口的 Servlet，如果它的 service 方法（或者是那些 HttpServlet 中通

过 service 方法分派的 doGet、doPost 等分派方法）是通过 synchronized 关键字定义的，Servlet 容器不能使

用实例池方案，而是必须依次处理请求。强烈推荐开发人员不要在这些情况下同步 service 方法（或者那些

由 Service 分派的方法），因为这将严重影响性能。

2.3.3.2 请求处理时的异常

Servlet 在处理一个请求时可能抛出 ServletException 或 UnavailableException 异常。ServletException 表示在

处理请求时出现了一些错误，容器应该采取适当的措施清理掉这个请求。

UnavailableException 表示 servlet 暂时或永久不能处理请求。

如果 UnavailableException 表示的是一个永久性的不可用，Servlet 容器必须从服务中移除这个 Servlet，调用

它的 destroy 方法，并释放 Servlet 实例。所有由于这种原因被容器拒绝的请求，都会返回一个

SC_NOT_FOUND (404) 响应。

如果 UnavailableException 表示的是一个临时性的不可用，容器可以选择在临时不可用的这段时间内不路由

任何请求到 Servlet。所以在这段时间内被容器拒绝的请求，都会返回一个 SC_SERVICE_UNAVAILABLE

(503)响应状态码，且同时会返回一个 Retry-After 头指示此 Servlet 什么时候可用。

容器可以选择忽略永久性和临时性不可用的区别，并把 UnavailableExceptions 视为永久性的，从而从服务

中将抛出任何 UnavailableException 异常的 servlet 删除。

2.3.3.3 异步处理

有时候，Filter 及/或 Servlet 在生成响应之前必须等待一些资源或事件以便完成请求处理。比如，Servlet 在

进行生成一个响应之前可能需要等待一个可用的 JDBC 连接，或者一个远程 web 服务的响应，或者一个 JMS

消息，或者一个应用程序事件。在 Servlet 中等待是一个低效的操作，因为这是阻塞操作，从而白白占用一

个线程或其他一些受限资源。许多线程为了等待一个缓慢的资源比如数据库经常发生阻塞，可能引起线程

饥饿，且降低整个 Web 容器的服务质量。

Servlet 3.0 引入了异步处理请求的能力，使线程可以返回到容器，从而执行更多的任务。当开始异步处理请

求时，另一个线程或回调可以生成响应并调用 complete 方法，或者使用 AsyncContext.dispatch 方法分派请

求以便它能够在容器上下文中运行。一个典型的异步处理事件顺序是：

1. 接收请求并通过一系列如认证等常规的过滤器后到达 Servlet。

2. servlet 处理请求参数及（或）内容体从而确定请求的类型。

3. 该 servlet 发出请求去获取一些资源或数据，例如，发送一个远程 web 服务请求或加入一个等待 JDBC 连

接的队列。

4. servlet 不产生响应并返回。

5. 过了一段时间后，当获取到请求资源后，处理事件的线程可以在同一个线程中继续处理请求，或者通过

AsyncContext 把请求分派到容器中的一个资源上。

Java 企业版的功能，如第 15.2.2 节，在第 15-178 页的“Web 应用环境”和第 15.3.1 节，在第 15-180

页的“EJB 调用中安全标识传播”，仅当初始化请求的线程执行，或者通过 AsyncContext.dispatch 方

法把请求分派到容器时才能使用这些特性。 Java 企业版的特性可能支持其他线程通过

AsyncContext.start(Runnable)方法直接操作 response 对象。

第八章描述的@WebServlet 和@WebFilter 注解有一个属性——asyncSupported，它是一个 boolean 类

型默认值为 false。当 asyncSupported 设置为 true，应用通过执行 startAsync（见下文）可以启动一个

单独的线程进行异步处理，并把请求和响应对象的引用传递给这个方法，然后退出原始线程所在的

容器。这意味着响应将遍历（相反的顺序）与进入时相同的过滤器（或过滤器链）。直到 AsyncContext

调用 complete（见下文）时响应才会被提交。如果异步任务在容器启动的分派之前执行，且调用了

startAsync 并返回给容器，此时应用需负责处理请求和响应对象的并发访问。

允许把 asyncSupported=true 的 Servlet 分派到 asyncSupported 设置为 false 的 Servlet。在这种情况下，

当退出不支持异步的 Servlet 的 service 方法时将会提交响应，且容器负责调用 AsyncContext 的

complete 方法，以便通知所有注册的 AsyncListener 实例。也可以使用过滤器作为

AsyncListener.onComplete 通知机制，来清理 Servlet 已经持有的等待异步任务完成的资源。

从一个同步 Servlet 分派到另一个异步 Servlet 是非法的。不过决定抛出一个 IllegalStateException 异

常与应用程序调用 startAsync 方法抛出 IllegalStateException 异常不同，这样会使 Servlet 具有同步

Servlet 或异步 Servlet 的功能。

应用程序正在等待的异步任务能够直接写到响应中，相对用于初始请求的线程来说，使用的是不同

的线程来写。这个线程对所有过滤器一无所知。如果过滤器想要在新线程中操作响应，它必须在处

理“按这种方式进入”的初始请求时包装响应，并把包装后的响应传递给过滤器链中的下一个过滤

器，最终传递给 Servlet。因此，如果响应被包装过（可能被包装多次，每个过滤器包装一次），而且

应用程序处理这个请求并把输出直接写到响应中，那么实际上是写到响应包装器中的，也就是说，

所有添加到响应的输出都将由响应包装器来处理。当应用程序在单独的线程中从请求中读取数据，

并添加输出到响应中时，它实际上是从请求包装器中读取，向响应包装器写入输出数据，因此，由

包装器操作的任何输入和（或）输出都将继续存在。

如果应用程序选择这样做的话，它将可以使用 AsyncContext 从新线程中分派请求到容器中的资源。这将允

许在容器范围内使用像 JSP 这种内容生成技术。

除了注解属性外，我们还添加了如下方法/类：

■ ServletRequest

■ public AsyncContext startAsync(ServletRequest req, ServletResponse res)。这个方法的作用是将请求转换

为异步模式，并使用给定的请求及响应对象和 getAsyncTimeout 返回的超时时间初始化它的

AsyncContext。ServletRequest和 ServletResponse参数必须是与传递给 servlet的 service或 filter 的 doFilter

方法相同的对象，或者是 ServletRequestWrapper 和 ServletResponseWrapper 子类的包装对象。当应用退

出 service 方法时，调用该方法来确保不会提交响应。当调用返回的 AsyncContext 的

AsyncContext.complete 或 AsyncContext 超时并且没有监听器处理超时时，才会提交响应。异步超时定

时器直到请求和它关联的响应从容器返回时才启动。AsyncContext 可以被异步线程用来写响应，它也

能用来通知没有关闭和提交的响应。

如果请求在不支持异步操作的 servlet 或 filter 范围中调用 startAsync，或者响应已经被提交并关闭，或

者在同一个分派期间重复调用，这些操作都是非法的。从调用 startAsync 返回的 AsyncContext 可以接

着被用来进行进一步异步处理。调用返回的 AsyncContext 的 hasOriginalRequestResponse()方法将返回

false，除非传过去的 ServletRequest 和 ServletResponse 参数是最原始的那个或不是应用提供的包装器。

在请求设置为异步模式后，在入站调用期间添加的一些请求及（或）响应的包装器在异步操作期间可

能需要一直保持，并且它们关联的资源可能也不会释放，出站方向调用的所有过滤器可以以此作为一

个标志。一个在入站调用期间的过滤器应用的 ServletRequestWrapper 可以被出站调用的过滤器释放，

只有当给定的 ServletRequest是由 AsyncContext初始化的且通过调用 AsyncContext.getRequest()返回的，

不包括之前说的 ServletRequestWrapper。这规则同样适用于 ServletResponseWrapper 实例。

■ public AsyncContext startAsync() 是一个简便方法，使用原始请求和响应对象用于异步处理。请注意，

如果它们在你想调用此方法之前被包装了，这个方法的使用者应该刷出（flush）响应，确保所有写到

包装的响应中的数据不会丢失。

■ public AsyncContext getAsyncContext() – 返回由 startAsync 调用创建的或重新初始化的

AsyncContext。如果请求还没有设置为异步模式，调用 getAsyncContext 是非法的。

■ public boolean isAsyncSupported() – 如果请求支持异常处理则返回 true，否则返回 false。一旦请求传

给了过滤器或不支持异步处理的 servlet（通过指定的注解或声明），异步支持将被禁用。

■ public boolean isAsyncStarted() – 如果请求的异步处理已经开始将返回 true，否则返回 false。如果这

个请求自从被设置为异步模式后已经使用任意一个 AsyncContext.dispatch 方法分派，或者成功调用了

AsynContext.complete 方法，这个方法将返回 false。

■ public DispatcherType getDispatcherType() – 返回请求的分派器（dispatcher）类型。容器使用请求的

分派器类型来选择需要应用到请求的过滤器。只有匹配分派器类型和 url 模式（url pattern）的过滤器

才会被应用。允许已配置多个分派器类型的过滤器查询请求的分派器类型，过滤器可根据不同的分派

器类型来处理请求。请求的初始分派器类型定义为 DispatcherType.REQUEST 。使用

RequestDispatcher.forward(ServletRequest, ServletResponse) 或 RequestDispatcher.include(ServletRequest,

ServletResponse) 分派时，它们的请求的分派器类型分别是 DispatcherType.FORWARD 或

DispatcherType.INCLUDE ，当一个异步请求使用任意一个 AsyncContext.dispatch 方法分派时该请求的

分派器类型是 DispatcherType.ASYNC。最后，由容器的错误处理机制分派到错误页面的分派器类型是

DispatcherType.ERROR 。

■ AsyncContext – 该类表示在 ServletRequest 启动的异步操作执行上下文，AsyncContext 由之前描述的

ServletRequest.startAsync 创建并初始化。AsyncContext 的方法：

■ public ServletRequest getRequest() – 返回调用 startAsync 时用于初始化 AsyncContext 的请求对象。当

在异步周期之前调用了 complete或任意一个 dispatch方法，调用 getRequest将抛出 IllegalStateException。

■ public ServletResponse getResponse() –返回调用 startAsync 时用于初始化 AsyncContext 的响应对象。

当在异步周期之前调用了 complete 或任意一个 dispatch 方法，调用 getResponse 将抛出

IllegalStateException。

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