摘要：本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向教學(xué)的且支持程序員級(jí)別動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)二次開發(fā)的Web服務(wù)器。

關(guān)鍵詞：Web服務(wù)器；面向教學(xué)；JSP/Servlet

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 17-0067-04

1引言

Web服務(wù)器是進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)。在它剛剛出現(xiàn)的時(shí)侯，Web服務(wù)器提供的只是靜態(tài)HTML網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)，在Web服務(wù)器收到一個(gè)來(lái)自瀏覽器的請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)把服務(wù)器上與請(qǐng)求資源URI(統(tǒng)一資源標(biāo)志符)相對(duì)應(yīng)的靜態(tài)文件通過HTTP協(xié)議傳給Web瀏覽器。隨著技術(shù)的發(fā)展，如何提供動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。由此人們實(shí)現(xiàn)了IIS、Apache Tomcat和Weblogic等諸多技術(shù)成熟且功能強(qiáng)大的服務(wù)器，引入了ASP和JSP/Servlet等諸多技術(shù)和規(guī)范。以Tomcat為例，它是JSP/Servlet規(guī)范的參考實(shí)現(xiàn)[1]。但在教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在學(xué)習(xí)JSP/Servlet時(shí)很容易陷于龐大的API(應(yīng)用程序接口)中，浮于各個(gè)方法(函數(shù))是如何使用等表面問題上，而忽視了對(duì)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)機(jī)制的理解。為使學(xué)生掌握技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，盡管采用了多媒體等諸多教學(xué)輔助手段，但是學(xué)生對(duì)Web服務(wù)器的幕后機(jī)制還是一知半解。為解決這樣的問題，在教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中結(jié)合一個(gè)具體的Web服務(wù)器的源碼來(lái)分析與學(xué)習(xí)就很有必要。由此可揭示相關(guān)技術(shù)的真正實(shí)現(xiàn)機(jī)制，使學(xué)生能透過現(xiàn)象看本質(zhì)，不是浮于對(duì)各種動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)的API的死記硬背上。目前市面上已有不少開源的Web服務(wù)器，Tomcat就是一個(gè)例子，但是它們相對(duì)教學(xué)而言還是太過復(fù)雜。基于此，本文設(shè)計(jì)并用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了一個(gè)接口簡(jiǎn)單但支持二次開發(fā)的Web服務(wù)器(為之命名為MyServer)，內(nèi)置了用于會(huì)話跟蹤的機(jī)制，提供了簡(jiǎn)明的用于二次開發(fā)的接口MyServlet，并充分考慮到了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，把MyServer服務(wù)器源代碼的規(guī)?？刂圃谝磺凶笥遥?duì)服務(wù)器的各個(gè)功能模塊作了較好的劃分，以便于學(xué)生的閱讀與理解。

2MyServer服務(wù)器的設(shè)計(jì)

從總體上而言，MyServer服務(wù)器能提供的服務(wù)可分為兩類：一是靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)，包括HTML頁(yè)面、圖片、音頻和視頻文件；二是動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)，為此MyServer服務(wù)器需要內(nèi)置方便程序員二次開發(fā)的相關(guān)機(jī)制，包括會(huì)話(MySeesion)的管理、用來(lái)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)頁(yè)面的MyServlet組件(使用MyServer服務(wù)器的程序員可通過實(shí)現(xiàn)MyServlet接口來(lái)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè))的自動(dòng)加載與管理、請(qǐng)求消息的解析和響應(yīng)消息的產(chǎn)生。MyServer服務(wù)器上的靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)既有相同之處又有不同之處。兩者的共同之處是對(duì)于來(lái)自瀏覽器的每個(gè)請(qǐng)求，MyServer服務(wù)器都會(huì)啟動(dòng)一個(gè)新的線程ServerThread，由此線程從原始的HTTP請(qǐng)求消息中提取出請(qǐng)求URI，然后在服務(wù)器上查找相應(yīng)的資源來(lái)給瀏覽器作響應(yīng)。它們的不同之處在于：對(duì)于靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)而言，MyServer服務(wù)器只要把服務(wù)器上與請(qǐng)求URI相對(duì)應(yīng)的靜態(tài)文件通過HTTP協(xié)議傳給Web瀏覽器即可；而對(duì)于動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)而言，服務(wù)器需要進(jìn)一步解析請(qǐng)求消息，從中提取來(lái)自瀏覽器的請(qǐng)求參數(shù)和頭域信息，同時(shí)還要找到與URI相匹配的MyServlet組件，由此組件來(lái)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如果相關(guān)的MyServlet組件還未被加載，則MyServer服務(wù)器還應(yīng)動(dòng)態(tài)載入相關(guān)的MyServlet組件類，生成該類的實(shí)例化對(duì)象，并把由MyServer服務(wù)器自動(dòng)生成的代表解析后的當(dāng)前請(qǐng)求消息的MyRequest對(duì)象和代表當(dāng)前響應(yīng)消息的MyResponse對(duì)象傳給MyServlet對(duì)象，MyServlet對(duì)象就可以根據(jù)當(dāng)前請(qǐng)求的方法是GET還是POST來(lái)調(diào)用相應(yīng)的doGet或doPost方法來(lái)作處理。MyServer服務(wù)器的運(yùn)行界面如下所示。

基于以上的分析，同時(shí)考慮教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的要求，把MyServer服務(wù)器分為以下幾大功能模塊：

(1) 主模塊：負(fù)責(zé)監(jiān)聽服務(wù)器端口，如果有來(lái)自瀏覽器的HTTP請(qǐng)求，則生成一個(gè)新的線程來(lái)處理當(dāng)前請(qǐng)求，同時(shí)主模塊還應(yīng)負(fù)責(zé)管理所有的會(huì)話信息、維護(hù)所有的MyServlet組件和相關(guān)的配置文件。在此模塊中，學(xué)生可通過源碼的分析和學(xué)習(xí)，領(lǐng)悟服務(wù)器與瀏覽器之間如何建立連接，服務(wù)器如何實(shí)現(xiàn)多線程的響應(yīng)機(jī)制，如何提供同步機(jī)制以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問。

(2) 線程模塊：在此模塊中處理自瀏覽器的當(dāng)前請(qǐng)求，在此模塊中應(yīng)生成代表當(dāng)前請(qǐng)求消息的MyRequest對(duì)象和代表當(dāng)前響應(yīng)的MyReponse對(duì)象，如果請(qǐng)求的是動(dòng)態(tài)資源，還應(yīng)動(dòng)態(tài)加載相關(guān)的MyServlet組件。在此模塊中，學(xué)生可體會(huì)如何在線程中處理一個(gè)HTTP請(qǐng)求。

(3) 請(qǐng)求模塊：在此模塊中完成對(duì)HTTP請(qǐng)求消息的解析，包括對(duì)請(qǐng)求行、請(qǐng)求首部和請(qǐng)求體(對(duì)POST請(qǐng)求而言)的解析，在此模塊中可抽象出代表解析后的當(dāng)前請(qǐng)求消息的類MyRequest。在此模塊中，學(xué)生可學(xué)習(xí)HTTP請(qǐng)求消息的組織格式，并學(xué)習(xí)如何從原始的HTTP請(qǐng)求消息中提取出所需的數(shù)據(jù)。

(4) 響應(yīng)模塊：在此模塊中實(shí)現(xiàn)服務(wù)器對(duì)瀏覽器響應(yīng)消息的處理，從中可抽象出代表當(dāng)前響應(yīng)消息的類MyResponse。學(xué)生可在此模塊中學(xué)習(xí)HTTP響應(yīng)消息的組織格式，并學(xué)習(xí)如何去設(shè)置響應(yīng)消息的狀態(tài)碼和相關(guān)頭域，如何向?yàn)g覽器輸出各種類型的響應(yīng)消息。

(5) 動(dòng)態(tài)模塊：在此模塊中定義了MyServer服務(wù)器上程序員二次開發(fā)所需的MyServlet接口和管理當(dāng)前會(huì)話的MySession類。學(xué)生通過對(duì)此模塊的分析，可真正明白會(huì)話的概念是如何抽象出來(lái)的。同時(shí)學(xué)習(xí)Web服務(wù)器是如何支持程序員級(jí)別的二次開發(fā)。

3MyServer服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

在用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)MyServer服務(wù)器時(shí)，考慮了這樣的兩個(gè)原則：一是實(shí)現(xiàn)MyServer服務(wù)器的宗旨是服務(wù)教學(xué)，通過服務(wù)器源碼的學(xué)習(xí)讓學(xué)生把握事物的本質(zhì)，為此不作過多的安全方面的考慮，以避免學(xué)生陷入其他無(wú)關(guān)的主題中；二是MyServer服務(wù)器提供的用于二次開發(fā)的API力求成為或類似于現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Servlet規(guī)范的某個(gè)子集，這樣學(xué)生便可順利地從MyServer服務(wù)器源碼的分析轉(zhuǎn)入對(duì)JSP/Servlet等工業(yè)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的學(xué)習(xí)或者也可很方便地從JSP/Servlet規(guī)范的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)入對(duì)MyServer服務(wù)器源碼的分析上。

3.1主模塊的實(shí)現(xiàn)

在主模塊中，首先通過生成一個(gè)java.net.Server Socket對(duì)象[2]，來(lái)監(jiān)聽服務(wù)器上的相應(yīng)端口是否存在來(lái)自瀏覽器的連接，如果沒有連接則當(dāng)前線程阻塞，直到有連接為止。當(dāng)監(jiān)聽到來(lái)自瀏覽器的連接時(shí)，則把代表當(dāng)前連接的socket對(duì)象作為參數(shù)傳給ServerThread線程的構(gòu)造方法，進(jìn)而啟動(dòng)一個(gè)新線程來(lái)處理當(dāng)前請(qǐng)求。

ServerSocket server = new ServerSocket(80);

//啟動(dòng)服務(wù)器

Socket socket = server.accept();

//監(jiān)聽

socket.setSoTimeout(100);

//設(shè)置超時(shí)時(shí)間

new ServerThread(this，socket).start();

//生成線程處理響應(yīng)

代表當(dāng)前連接的socket應(yīng)設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間(此處設(shè)為100毫秒)，此超時(shí)時(shí)間的主要作用是避免從socket輸入流讀取數(shù)據(jù)時(shí)陷入無(wú)限等待中。若從Socket讀數(shù)據(jù)時(shí)的等待時(shí)間超過了規(guī)定的超時(shí)時(shí)間，則會(huì)拋出一個(gè)超時(shí)異常，此時(shí)可認(rèn)為來(lái)自瀏覽器的輸入流中的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀完。

而對(duì)于各個(gè)會(huì)話對(duì)象MySession的管理，則采用哈希表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中存放<會(huì)話編號(hào)SessionId，MySession對(duì)象>的有序?qū)?。因?yàn)樘幚鞨TTP請(qǐng)求的每個(gè)ServerThread線程中可能都要訪問會(huì)話信息，所以對(duì)于此哈希表的訪問應(yīng)通過同步方法，而產(chǎn)生SessionId的方法也應(yīng)設(shè)應(yīng)為同步，以避免出現(xiàn)同編號(hào)的會(huì)話。同時(shí)主模塊中還應(yīng)維護(hù)請(qǐng)求URI與MyServlet組件的映射表，這部分信息存于服務(wù)器的配置文件中。在服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)從配置文件中讀入映射信息。配置文件采用XML的數(shù)據(jù)格式，下例表示的是請(qǐng)求URI為/index.html的請(qǐng)求應(yīng)由名為HelloServelt的MyServlet組件來(lái)處理。

cn.edu.fjnu.examples.HelloServlet

3.2線程模塊的實(shí)現(xiàn)

在此模塊中，抽象出線程類ServerThread，它的構(gòu)造方法中有一參數(shù)為Socket類型，用來(lái)存放與當(dāng)前請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的Socket連接。在此線程的構(gòu)造方法中分別生成MyRequest和MyResponse對(duì)象(分別由由請(qǐng)求模塊和響應(yīng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn))，由MyRequest對(duì)象獲得請(qǐng)求URI，先查找主模塊中維護(hù)的請(qǐng)求URI與MyServlet組件的映射表，如果找不到與當(dāng)前URI對(duì)應(yīng)的MyServlet組件，則在服務(wù)器的本地文件系統(tǒng)中查找相應(yīng)的靜態(tài)文件，如果仍然找不到，則表示不存在瀏覽器所請(qǐng)求的資源，可設(shè)置響應(yīng)狀態(tài)碼為404。而如果存在與請(qǐng)求URI相對(duì)應(yīng)的MyServlet組件，則要?jiǎng)討B(tài)的加載相應(yīng)的MyServlet組件類，生成該類的一個(gè)實(shí)例對(duì)象，再調(diào)用此對(duì)象的doPost或doGet方法來(lái)處理請(qǐng)求，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因?yàn)榇嬖诓煌挠脩粽?qǐng)求相同頁(yè)面的情況，所以新生成的MyServlet實(shí)例對(duì)象應(yīng)存放到主模塊中的URI與MyServlet組件映射表中以便復(fù)用。MySevlet組件類的動(dòng)態(tài)加載與實(shí)例化的過程如下：

Class c = Class.forName(“類名”);

//動(dòng)態(tài)加載MyServlet類

Object servlet = c.newInstance();

//實(shí)例化

3.3請(qǐng)求模塊的實(shí)現(xiàn)

在請(qǐng)求模塊中抽象出了MyRequest類，用來(lái)表示來(lái)自瀏覽器的當(dāng)前請(qǐng)求消息。該類的構(gòu)造方法中有一代表當(dāng)前連接的參數(shù)socket(為Socket類型)，因?yàn)槲覀冊(cè)谥髂K中已經(jīng)設(shè)了此socket對(duì)象的超時(shí)時(shí)間[3]，所以通過此輸入流讀取數(shù)據(jù)時(shí)若等待的時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)產(chǎn)生異常，服務(wù)器認(rèn)為來(lái)自瀏覽器的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀完。而在Java的I/O中，一般是用返回-1來(lái)表示輸入流的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀完。為此，我們可新建一個(gè)繼承java.io.BufferedInputStream的類ServletInputStream，改寫其read()方法，在方法體中捕獲到超時(shí)異常時(shí)則返回-1。在作了這樣的處理之后，就可用以下方式來(lái)獲取來(lái)自瀏覽器的輸入流：

BufferedInputStream in =

new ServletInputStream (socket. getInput Stream());

并可進(jìn)一步抽象出請(qǐng)求分析器RequestAnalyzer，由它專門負(fù)責(zé)解析ServletInputStream流中的HTTP請(qǐng)求消息。

RequestAnalyzer analyzer = new RequestAnalyzer(in);

while((input = in.read()) != -1){

//不斷讀入當(dāng)前字節(jié)進(jìn)行分析

}

請(qǐng)求分析器應(yīng)從輸入流中提取請(qǐng)求行中的請(qǐng)求方法、請(qǐng)求URI和協(xié)議信息，提取請(qǐng)求首部的頭域信息(特別的要提取出響應(yīng)模塊中加入的Cookie信息，其中包含了會(huì)話編號(hào)SessionId，以進(jìn)行會(huì)話跟蹤)，而請(qǐng)求參數(shù)的提取則要根據(jù)請(qǐng)求行中提取的請(qǐng)求方法是GET還是POST來(lái)作處理。如果是GET請(qǐng)求，則要從請(qǐng)求URI中附加的查詢字符串中提取，而如果是POST請(qǐng)求，則要從消息體中提取。提取的請(qǐng)求參數(shù)要用java.net.Decoder對(duì)請(qǐng)求參數(shù)進(jìn)行解碼。

3.4響應(yīng)模塊的實(shí)現(xiàn)

響應(yīng)模塊主要負(fù)責(zé)處理輸出給給瀏覽器的響應(yīng)消息，由此抽象出類MyResponse用來(lái)表示當(dāng)前響應(yīng)。它的構(gòu)造方法中一個(gè)有表示當(dāng)前連接的參數(shù)socket(為Socket類型)，由socket.getOutputStream可獲得輸出流。為了方便程序員級(jí)別的二次開發(fā)，MyServer服務(wù)器應(yīng)對(duì)響應(yīng)消息作預(yù)處理，即HTTP響應(yīng)消息的狀態(tài)行和消息首部的輸出應(yīng)由MyServer服務(wù)器負(fù)責(zé)。程序員只負(fù)責(zé)設(shè)置必要的頭域和響應(yīng)消息主體的輸出。同時(shí)更重要的是響應(yīng)模塊中應(yīng)加入用于會(huì)話跟蹤的SessionId，這部分工作也應(yīng)由MyServer服務(wù)器來(lái)預(yù)處理。為此，我們就要新建一個(gè)繼承java.io.BufferedOutputStream的輸出流ServletOutputstream，它的構(gòu)造方法中有一參數(shù)是由socket.getOutputStream()獲得的輸出流，改寫此類的write()方法。這樣在改寫后的write方法中就可作判斷，如果是第一次調(diào)用write方法時(shí)，則要往輸出流中添加響應(yīng)狀態(tài)行和響應(yīng)頭域，同時(shí)把當(dāng)前請(qǐng)求所對(duì)應(yīng)的會(huì)話編號(hào)SessionId寫入響應(yīng)頭域的Set-Cookie中，以便進(jìn)行會(huì)話跟蹤。

3.5動(dòng)態(tài)模塊的實(shí)現(xiàn)

動(dòng)態(tài)模塊主要是提供支持動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)，支持程序員級(jí)別的二次開發(fā)。為此，定義了一個(gè)簡(jiǎn)潔的MyServlet接口：

public interface MyServlet{

void doGet(MyRequest req，MyResponse res) throws IOException;

void doPost(MyRequest req，MyResponse res) throws IOException;

}

同時(shí)，引入了類MySession用來(lái)存放與某次會(huì)話相關(guān)的數(shù)據(jù)，其內(nèi)部也是采用哈希表的形式來(lái)存放相關(guān)的有序?qū)?，并提供了一組同步的方法用來(lái)存取內(nèi)置哈希表中的數(shù)據(jù)。

4基于MyServer服務(wù)器的二次開發(fā)

在自定義的MyServer服務(wù)器上，通過實(shí)驗(yàn)，它能很好地支持包含音頻、視頻和圖片的靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)。同時(shí)為了進(jìn)一步檢測(cè)其性能，在MyServer服務(wù)器通過MyServlet組件進(jìn)行了上傳文件的二次開發(fā)。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)MyServer時(shí)力求使其API成為Servlet規(guī)范的子集，所以服務(wù)器端處理瀏覽器文件上傳的測(cè)試程序從MyServer服務(wù)器移植到Tomcat服務(wù)器上基本不用作改動(dòng)，這也為在我們教學(xué)上從MyServer源代碼的分析過渡到JSP/Servlet的可行性提供了有力佐證。下表是用測(cè)試程序分別在MyServer服務(wù)器和Tomcat服務(wù)器上接收瀏覽器上傳文件所需時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(為本機(jī)上五次實(shí)驗(yàn)的平均值)：

文件大小 MyServerTomcat

50MB25.3秒24.9秒

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并用Java實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向教學(xué)的Web服務(wù)器MyServer，實(shí)現(xiàn)了多線程的響應(yīng)機(jī)制，支持會(huì)話跟蹤，提供了用于程序員級(jí)別二次開發(fā)的組件MyServlet，給出了用此組件在MyServer服務(wù)器上進(jìn)行二次開發(fā)的一個(gè)例子(文件上傳)。根據(jù)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的特殊要求，對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了較好劃分，并把它用到了互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中。MyServer服務(wù)器的目標(biāo)并不是希望與現(xiàn)有的主流Web服務(wù)器搶奪商用市場(chǎng)，而是希望由此服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)來(lái)改變傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，希望借由Web服務(wù)器源碼的分析來(lái)讓學(xué)生理解各個(gè)抽象概念背后的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，進(jìn)而提高教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的效果。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，通過合作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的MyServer服務(wù)器的改進(jìn)，達(dá)到在實(shí)驗(yàn)中潛移默化地培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)合作精神的目的。傳統(tǒng)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)方式容易使學(xué)生迷失于JSP/Servlet相對(duì)龐大的API中，忽視了對(duì)幕后機(jī)理的思考；而在教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中結(jié)合MyServer服務(wù)器源碼的分析，就能起到舉一反三，達(dá)到授人以漁的目的，真正改變傳統(tǒng)的填鴨式的喂魚方式。

Design and Implemention of a teaching-oriented web server

Zou Changwei

(College of Software Engineering，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou，350007，China)

Abstract：A teaching-oriented Web Server which supportsprogrammer-level secondary dynamic page developing is designed and implemented.

Keywords：Web Server ; teaching-oriented；JSP/Servlet

參考文獻(xiàn)：

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[3] Elliotte Rusty Harold著. 朱濤江，林劍 譯. Java網(wǎng)絡(luò)編程[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2005.

收稿日期：2007-07-22

作者簡(jiǎn)介：鄒昌偉(1981 - )，男，福建龍巖人，碩士，助教，研究方向?yàn)閃eb。