Web 服務(wù)器與 Servlet 容器協(xié)作原理

在 Java 后臺(tái)啟動(dòng)過(guò)程中，Web 服務(wù)器與 Servlet 容器的協(xié)作起著關(guān)鍵作用。當(dāng) Web 服務(wù)器接收到一個(gè) HTTP 請(qǐng)求后，它會(huì)首先判斷請(qǐng)求的內(nèi)容是靜態(tài)數(shù)據(jù)還是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。對(duì)于靜態(tài)頁(yè)面數(shù)據(jù)，比如一些純 HTML、CSS、JavaScript 文件等，Web 服務(wù)器可以自行處理，直接將對(duì)應(yīng)的靜態(tài)資源返回給客戶端。而如果接收到的是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，這時(shí)就需要 Servlet 容器介入了。Servlet 容器充當(dāng) Web 服務(wù)器和 Servlet 之間的 “中間人” 角色，Web 服務(wù)器會(huì)把被請(qǐng)求的 Servlet 的 URI 以及 request 對(duì)象轉(zhuǎn)交給 Servlet 容器。隨后，Servlet 容器負(fù)責(zé)調(diào)用相應(yīng)的 Servlet 程序來(lái)處理該請(qǐng)求，并將 Servlet 處理后的請(qǐng)求結(jié)果再返回給 Web 服務(wù)器，最終由 Web 服務(wù)器傳遞給客戶端。以常見(jiàn)的 Tomcat 作為 Servlet 容器舉例來(lái)說(shuō)，它會(huì)接收來(lái)自如 Apache 等 Web 服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的請(qǐng)求。Servlet 容器與 Servlet 的交互主要是通過(guò) request 和 response 對(duì)象來(lái)完成的，Servlet 容器負(fù)責(zé)創(chuàng)建這些對(duì)象并傳遞給 Servlet 程序，Servlet 程序則使用這些對(duì)象，并調(diào)用它們的方法來(lái)與 Servlet 容器進(jìn)行通信。再說(shuō)說(shuō) Servlet 的生命周期各階段的具體情況，這也是協(xié)作過(guò)程中的重要部分。首先是加載和實(shí)例化階段，容器負(fù)責(zé)加載和實(shí)例化一個(gè) Servlet，這個(gè)過(guò)程可以發(fā)生在引擎啟動(dòng)的時(shí)候，也可能推遲到容器需要該 Servlet 為客戶請(qǐng)求服務(wù)的時(shí)候。例如，當(dāng)客戶端第一次請(qǐng)求某個(gè) Servlet 時(shí)，Servlet 容器將會(huì)根據(jù) web.xml 配置文件實(shí)例化這個(gè) Servlet 類，并將其貯存于內(nèi)存中，后續(xù)再有新的客戶端請(qǐng)求該 Servlet 時(shí)，一般就不會(huì)再重新實(shí)例化這個(gè) Servlet 類了，而是多個(gè)線程使用這同一個(gè)實(shí)例。接著是初始化階段，init () 方法用于初始化操作，該方法在 Servlet 的整個(gè)生命周期中只被調(diào)用一次，主要是讀取永久的配置信息，以及執(zhí)行其他僅僅需要執(zhí)行一次的任務(wù)，像加載一些初始化參數(shù)等。然后是處理請(qǐng)求階段，service () 方法由 Servlet 容器調(diào)用，以允許 Servlet 響應(yīng)一個(gè)請(qǐng)求，Servlet 容器會(huì)傳遞 javax.servlet.ServletRequest 對(duì)象和 javax.servlet.ServletResponse 對(duì)象過(guò)來(lái)，ServletRequest 對(duì)象包含客戶端 HTTP 請(qǐng)求信息，ServletrResponse 則封裝 Servlet 響應(yīng)。在 service () 方法內(nèi)部，還會(huì)根據(jù) HTTP 請(qǐng)求種類的不同，進(jìn)一步調(diào)用像 doGet () 或 doPost () 等方法處理相應(yīng)的請(qǐng)求。最后是移除實(shí)例階段，當(dāng)服務(wù)器決定刪除已經(jīng)加載的 Servlet 實(shí)例之前，會(huì)調(diào)用 Servlet 的 destroy () 方法，來(lái)釋放占用的資源。而且，Servlet 容器通過(guò)采用多線程等機(jī)制，能夠有效提高執(zhí)行效率、降低服務(wù)器負(fù)擔(dān)。比如針對(duì)同一個(gè) Servlet，容器在第一次收到 HTTP 請(qǐng)求時(shí)建立一個(gè) Servlet 實(shí)例，后續(xù)再收到 http 請(qǐng)求后，無(wú)需創(chuàng)建相同 Servlet，僅開(kāi)啟新的線程來(lái)處理請(qǐng)求，避免了為每個(gè)請(qǐng)求都創(chuàng)建新的實(shí)例對(duì)象，減少了資源消耗，提升了整體的運(yùn)行效率。

Servlet 對(duì)象創(chuàng)建時(shí)機(jī)解析

Servlet 對(duì)象的創(chuàng)建時(shí)機(jī)分為兩種情況，一是在 Servlet 容器啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，二是在 Servlet 容器啟動(dòng)后創(chuàng)建。在 Servlet 容器啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建 Servlet 對(duì)象，這種方式適合那些需要在應(yīng)用加載時(shí)就做一些初始化操作的場(chǎng)景，例如初始化操作比較耗時(shí)，像要訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)加載一些數(shù)據(jù)用于后續(xù)處理的情況。我們可以通過(guò)在配置文件 web.xml 中進(jìn)行設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)容器啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建 Servlet，使用<load-on-startup>標(biāo)簽，里面設(shè)置正整數(shù)就代表服務(wù)器加載時(shí)創(chuàng)建，并且數(shù)字還有含義，代表啟動(dòng)的順序，數(shù)字越小、優(yōu)先級(jí)越高，不過(guò)要注意 1 已經(jīng)被默認(rèn)的 servlet 占用了，所以我們一般從 2 開(kāi)始起設(shè)置。比如配置<load-on-startup>2</load-on-startup>，就可以讓對(duì)應(yīng)的 Servlet 在服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)就被加載創(chuàng)建。而 Servlet 容器啟動(dòng)后創(chuàng)建 Servlet 對(duì)象，默認(rèn)情況下就是當(dāng)?shù)谝淮卧L問(wèn) servlet（在瀏覽器中訪問(wèn)）的時(shí)候去創(chuàng)建。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于可以減少對(duì)服務(wù)器內(nèi)存的浪費(fèi)，提高服務(wù)器啟動(dòng)的效率；但弊端就是如果有一些要在應(yīng)用加載時(shí)就做的初始化操作，就沒(méi)辦法完成了。配置文件對(duì) Servlet 對(duì)象創(chuàng)建時(shí)機(jī)的影響很大，通過(guò)在 web.xml 里不同的配置，可以靈活決定 Servlet 是在容器啟動(dòng)時(shí)就創(chuàng)建還是首次訪問(wèn)時(shí)創(chuàng)建。并且，同一類型的 Servlet 對(duì)象在容器中是以單例的形式存在的，也就是不管有多少個(gè)客戶端請(qǐng)求這個(gè) Servlet，容器中只會(huì)存在一個(gè)該類型的 Servlet 實(shí)例對(duì)象，多個(gè)線程會(huì)共用這一個(gè)實(shí)例來(lái)處理各自的請(qǐng)求，不過(guò)這也需要我們?cè)诰帉?Servlet 代碼時(shí)注意線程安全的問(wèn)題，避免因多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一資源而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致等情況出現(xiàn)。例如，如果在 Servlet 方法中采用全局變量，并且以該變量的運(yùn)算結(jié)果作為下一步操作的判斷依據(jù)，就可能出現(xiàn)線程不安全的情況，像下面這種偽代碼：所以要謹(jǐn)慎使用成員變量，或者采用一些線程安全的處理方式，比如使用synchronized關(guān)鍵字來(lái)同步對(duì)共享數(shù)據(jù)點(diǎn)的操作，保證一次只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)被保護(hù)的區(qū)段，以此來(lái)避免出現(xiàn)類似的線程安全問(wèn)題。

Java 后臺(tái)啟動(dòng)常見(jiàn)方式

Linux 系統(tǒng)中的方式

在 Linux 系統(tǒng)里啟動(dòng) java 項(xiàng)目有以下幾種常見(jiàn)命令及對(duì)應(yīng)的使用場(chǎng)景與特點(diǎn)：java -jar xxx.jar特點(diǎn)：當(dāng)前 ssh 窗口被鎖定，可按 CTRL + C 打斷程序運(yùn)行，或者直接關(guān)閉窗口時(shí)，程序就會(huì)退出。例如我們運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的 Java 項(xiàng)目，執(zhí)行java -jar myproject.jar命令后，就只能在該窗口等待程序運(yùn)行結(jié)束或者手動(dòng)按 CTRL + C 打斷它，如果關(guān)閉了這個(gè)終端窗口，那 Java 程序也就隨之停止運(yùn)行了。這種方式比較適合用于在開(kāi)發(fā)過(guò)程中簡(jiǎn)單測(cè)試 Java 項(xiàng)目，并且需要隨時(shí)查看程序輸出信息以及手動(dòng)控制程序停止的情況。java -jar xxx.jar &特定：當(dāng)前 ssh 窗口不被鎖定，意味著可以繼續(xù)在該窗口執(zhí)行其他命令操作，不過(guò)當(dāng)窗口關(guān)閉時(shí)，程序會(huì)中止運(yùn)行。比如在執(zhí)行java -jar anotherproject.jar &后，我們還能在同一個(gè)終端窗口里輸入像ls查看文件列表等其他 Linux 命令，但要是關(guān)閉了這個(gè)終端窗口，對(duì)應(yīng)的 Java 程序就會(huì)停止。它適用于一些不需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，在終端操作過(guò)程中臨時(shí)啟動(dòng) Java 項(xiàng)目查看效果等場(chǎng)景。nohup java -jar xxxx.jar &nohup意思是不掛斷運(yùn)行命令，當(dāng)賬戶退出或終端關(guān)閉時(shí)，程序仍然運(yùn)行。當(dāng)用nohup命令執(zhí)行作業(yè)時(shí)，缺省情況下該作業(yè)的所有輸出被重定向到nohup.out的文件中，除非另外指定了輸出文件。例如我們執(zhí)行nohup java -jar longrunningproject.jar &，就算我們退出了當(dāng)前登錄的賬戶或者關(guān)閉了對(duì)應(yīng)的終端窗口，這個(gè) Java 項(xiàng)目依然會(huì)在后臺(tái)持續(xù)運(yùn)行，對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的 Java 后臺(tái)服務(wù)程序，采用這種方式啟動(dòng)就很合適。nohup java -jar xxxx.jar >temp.txt &command >out.file是將command的輸出重定向到out.file文件，即輸出內(nèi)容不打印到屏幕上，而是輸出到out.file文件中。采用這種命令方式，不僅具備nohup命令使程序在終端關(guān)閉或賬戶退出后仍能運(yùn)行的特點(diǎn)，還能將原本輸出到控制臺(tái)的內(nèi)容按照我們的要求存放到指定的文件中，方便后續(xù)查看程序運(yùn)行過(guò)程中的日志等輸出信息。例如可以將程序運(yùn)行過(guò)程中的報(bào)錯(cuò)信息、關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸出等保存下來(lái)用于分析排查問(wèn)題。另外，在 Linux 系統(tǒng)中，還可以通過(guò)jobs命令查看后臺(tái)運(yùn)行任務(wù)，它會(huì)列出所有后臺(tái)執(zhí)行的作業(yè)，并且每個(gè)作業(yè)前面都有個(gè)編號(hào)。如果想將某個(gè)作業(yè)調(diào)回前臺(tái)控制，只需要使用fg + 編號(hào)即可，比如fg 23就可以把編號(hào)為 23 的后臺(tái)任務(wù)調(diào)回前臺(tái)進(jìn)行操作。

Windows 系統(tǒng)中的方式

在 Windows 系統(tǒng)上利用任務(wù)計(jì)劃程序?qū)崿F(xiàn) Java 程序后臺(tái)啟動(dòng)，可按照以下詳細(xì)步驟進(jìn)行操作：編寫 Java 程序首先創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的 Java 程序示例，比如以下代碼：將上述代碼保存在HelloWorld.java文件中，這就是一個(gè)基礎(chǔ)的 Java 程序代碼，當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體的業(yè)務(wù)邏輯編寫更為復(fù)雜的代碼內(nèi)容。編譯 Java 程序使用javac命令來(lái)編譯 Java 程序，在命令提示符或者 PowerShell 等命令行工具中進(jìn)入到保存HelloWorld.java文件的目錄下，執(zhí)行命令javac HelloWorld.java，如果編譯成功，會(huì)生成一個(gè)名為HelloWorld.class的字節(jié)碼文件，這是 Java 程序能夠被運(yùn)行的基礎(chǔ)。打包成 JAR 文件在項(xiàng)目目錄下，生成一個(gè) JAR 文件，可以使用命令jar cvfm HelloWorld.jar Manifest.txt HelloWorld.class（這里假設(shè)已經(jīng)有符合要求的Manifest.txt文件，它可以包含如Manifest-Version: 1.0、Main-Class: HelloWorld等關(guān)鍵信息用于指定 JAR 文件的一些屬性以及啟動(dòng)類等內(nèi)容）。這樣就把 Java 程序打包成了一個(gè)可執(zhí)行的 JAR 文件，方便后續(xù)統(tǒng)一進(jìn)行部署和啟動(dòng)操作。配置任務(wù)計(jì)劃程序打開(kāi) Windows 的任務(wù)計(jì)劃程序，選擇 “創(chuàng)建基本任務(wù)”，并設(shè)置任務(wù)名稱和描述。在 “觸發(fā)器” 中選擇合適的觸發(fā)條件，例如可以選擇 “在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)” 自動(dòng)啟動(dòng) Java 程序，或者按照特定的時(shí)間計(jì)劃來(lái)觸發(fā)運(yùn)行。接著在 “操作” 中，選擇 “啟動(dòng)程序”，然后找到j(luò)ava.exe的路徑（一般在 Java 安裝目錄下的bin文件夾中，比如C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_251\bin\java.exe），后面加上參數(shù)-jar [你的JAR文件路徑]（例如-jar C:\path\to\HelloWorld.jar）。完成以上配置后，保存這個(gè)任務(wù)設(shè)置，之后系統(tǒng)就會(huì)按照設(shè)定的條件來(lái)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的 Java 程序，使其在后臺(tái)運(yùn)行了。通過(guò)這樣一套流程，就可以實(shí)現(xiàn)在 Windows 系統(tǒng)上讓 Java 程序在后臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，滿足如定時(shí)任務(wù)執(zhí)行、后臺(tái)服務(wù)持續(xù)運(yùn)行等各種實(shí)際開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的需求。

Java 后臺(tái)啟動(dòng)注意事項(xiàng)

資源相關(guān)注意點(diǎn)

在后臺(tái)運(yùn)行 Java 程序時(shí)，有幾個(gè)資源相關(guān)的方面需要我們著重留意。首先是程序日志輸出，這是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。合理的日志輸出能夠幫助我們后續(xù)排查問(wèn)題、了解程序運(yùn)行狀態(tài)等。但如果不注意規(guī)范，也會(huì)帶來(lái)不少麻煩。一方面，要避免日志輸出過(guò)多的情況，有些人可能為了方便問(wèn)題排查，在短短 50 行代碼里有一半都在打印日志，要知道打印日志是存在一定性能消耗的，比如一個(gè)原本 100ms 就能執(zhí)行完的方法，可能其中 50ms 都花費(fèi)在了打印日志上，而且還增加了日志的存儲(chǔ)成本。像在循環(huán)體內(nèi)大量打印日志這種批量打印的情況，就應(yīng)該盡量避免另外，也要防止日志重復(fù)打印的問(wèn)題，比如方法的調(diào)用方和被調(diào)用方都打印了相同的內(nèi)容，或者可以合為一條打印的卻分成多次打印等情況。同時(shí)，還需按照正確的日志級(jí)別進(jìn)行輸出，像 debug、info、warn、error 這些級(jí)別要區(qū)分清楚，error 級(jí)別只記錄系統(tǒng)邏輯出錯(cuò)、異常或者重要的錯(cuò)誤信息等，并且建議使用占位符的方式輸出日志，這樣比使用 String 拼接要高效，還要盡量使用英文輸出日志，能有效減少日志存儲(chǔ)大小，也更符合國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)。在日志的保存方面，阿里開(kāi)發(fā)手冊(cè)建議日志文件至少保留 15 天，對(duì)于涉及敏感信息、安全等相關(guān)記錄的，根據(jù)國(guó)家法律要求至少保留六個(gè)月，所以要合理規(guī)劃日志的存儲(chǔ)和清理策略，防止磁盤空間被日志占滿影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，比如可以采用滾動(dòng)日志并且定時(shí)清除舊文件的方式。其次是錯(cuò)誤信息處理，當(dāng)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，要確保錯(cuò)誤信息能夠準(zhǔn)確地被記錄下來(lái)，方便我們快速定位問(wèn)題根源，知曉是程序邏輯出錯(cuò)、存在隱含風(fēng)險(xiǎn)還是其他方面的原因，進(jìn)而采取相應(yīng)的解決措施。再者就是要及時(shí)釋放資源，避免內(nèi)存泄漏的情況發(fā)生。內(nèi)存泄漏是指分配的內(nèi)存無(wú)法正確釋放，可能導(dǎo)致性能下降和程序崩潰。比如在使用像文件輸入流（FileInputStream）等資源時(shí)，如果沒(méi)有在使用完后及時(shí)關(guān)閉它那么在程序執(zhí)行后，文件輸入流仍然保持打開(kāi)狀態(tài)，占用內(nèi)存資源，從而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。所以我們要使用 finally 塊或 try-with-resources 語(yǔ)句來(lái)確保在使用后關(guān)閉資源。還有像避免長(zhǎng)生命周期的對(duì)象持有短生命周期對(duì)象的引用，若一個(gè)長(zhǎng)生命周期的對(duì)象持有了一個(gè)短生命周期對(duì)象的引用，即使短生命周期對(duì)象已經(jīng)不再需要，由于長(zhǎng)生命周期對(duì)象的存在，垃圾回收器也無(wú)法回收短生命周期對(duì)象的內(nèi)存。另外，要慎重使用靜態(tài)變量，因?yàn)殪o態(tài)變量的生命周期與應(yīng)用程序一樣長(zhǎng)，使用不當(dāng)可能意外地阻止對(duì)象的回收，也要小心避免循環(huán)引用等情況，防止對(duì)象無(wú)法被正常垃圾回收。同時(shí)，我們還可以借助一些內(nèi)存泄漏檢測(cè)工具，如 MAT 和 VisualVM 等來(lái)分析堆內(nèi)存中的對(duì)象，查找潛在的內(nèi)存泄漏問(wèn)題。

特殊報(bào)錯(cuò)及解決思路

在 Java 后臺(tái)啟動(dòng)過(guò)程中，常常會(huì)遇到一些特殊報(bào)錯(cuò)，下面講講常見(jiàn)的問(wèn)題及對(duì)應(yīng)的解決辦法或排查思路。

端口占用問(wèn)題

當(dāng)我們啟動(dòng) Java 程序時(shí)，可能會(huì)遇到端口被占用的報(bào)錯(cuò)，比如出現(xiàn)類似 “Web server failed to start. Port 8080 was already in use.” 這樣的提示，這意味著你嘗試運(yùn)行的 Java 應(yīng)用所需的特定網(wǎng)絡(luò)端口已經(jīng)被其他進(jìn)程占用了，從而導(dǎo)致 Java 程序無(wú)法正常啟動(dòng)。在 Linux 或 Mac OS 系統(tǒng)中，可以使用命令 “l(fā)sof -i : 端口號(hào)” 來(lái)檢查某個(gè)特定端口的占用情況，例如查看 80 端口的使用情況，就執(zhí)行 “l(fā)sof -i :80”。而在 Windows 系統(tǒng)中，則可以使用 “netstat -ano | findstr : 端口號(hào)” 這個(gè)命令，比如查看 80 端口的占用情況，就輸入 “netstat -ano | findstr :80”，上述命令會(huì)列出占用該端口的進(jìn)程 ID（PID）。找到占用端口的進(jìn)程 ID 后，在 Linux 或 Mac OS 中，可以使用命令 “kill -9 進(jìn)程 ID” 來(lái)殺掉該進(jìn)程；在 Windows 系統(tǒng)中可以使用 “taskkill /F/PID 進(jìn)程 ID” 命令，強(qiáng)制停止占用端口的進(jìn)程，釋放端口以供其他程序使用。另外，如果不想或無(wú)法結(jié)束占用端口的進(jìn)程，還可以選擇修改 Java 程序的端口，在代碼中進(jìn)行設(shè)置在上面的示例中，創(chuàng)建了一個(gè)新的 ServerSocket 對(duì)象并設(shè)置了一個(gè)新的端口（8080），如果這個(gè)端口已經(jīng)被占用，程序?qū)⒉东@異常并輸出提示信息。還有一種情況，在某些情況下，系統(tǒng)防火墻可能會(huì)阻止 Java 應(yīng)用程序訪問(wèn)特定端口，這時(shí)要確保在防火墻設(shè)置中允許你設(shè)置的端口（如 8080）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

服務(wù)啟動(dòng)失敗報(bào)錯(cuò)

有時(shí)候會(huì)遇到服務(wù)啟動(dòng)失敗的報(bào)錯(cuò)情況，比如在 Windows 系統(tǒng)中將.bat 文件注冊(cè)成 windows 服務(wù)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn) “服務(wù)啟動(dòng)失?。哄e(cuò)誤碼 1053，服務(wù)沒(méi)有及時(shí)響應(yīng)啟動(dòng)或控制請(qǐng)求” 這樣的問(wèn)題，這是因?yàn)?windows 服務(wù)默認(rèn)啟動(dòng)超時(shí)時(shí)間為 30s，但是有些服務(wù)的啟動(dòng)時(shí)間可能會(huì)超過(guò) 30s，這時(shí)就需要修改注冊(cè)表來(lái)解決該問(wèn)題，注冊(cè)表地址為：HKEY_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/ServicesPipeTimeout，ServicesPipeTimeout 可能不存在，如果不存在需要自己手動(dòng)添加，類型為 DWORD，單位是毫秒，不過(guò)修改這個(gè)設(shè)置需要重啟服務(wù)器，要根據(jù)實(shí)際服務(wù)器情況來(lái)決定是否采用這種方式解決。再比如將 jar 包做成 windows 服務(wù)時(shí)，可能會(huì)遇到執(zhí)行注冊(cè)命令出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，像 “.exe 文件不是有效的 windows32 位應(yīng)用程序” 這種情況，這時(shí)就需要仔細(xì)檢查相關(guān)版本、文件等是否存在問(wèn)題，也可以通過(guò)網(wǎng)上提供的一些解決方案，如查看是否是病毒原因，是否需要?jiǎng)h除.exe 注冊(cè)表等去嘗試解決問(wèn)題?？傊龅椒?wù)啟動(dòng)失敗報(bào)錯(cuò)時(shí)，要仔細(xì)查看報(bào)錯(cuò)提示信息，分析可能出現(xiàn)