基于servlet实现一个web框架

servlet作为一个web规范，其本身就算做一个web开发框架，但是其web action (响应某个URI的实现)的实现都是基于类的，不是很方便，并且3.0之前的版本还必须通过web.xml配置来增加新的action。servlet中有一个filter的功能，可以配置所有URI的功能都经过filter。我们可以基于filter的功能来实现一个简单的web框架。在这个框架中，主要改进URI action的映射，就像play framework中route的配置：

GET     /hello      com.codemacro.webdemo.test.TestController.hello
GET     /route      com.codemacro.webdemo.test.TestController.route
POST    /hello      com.codemacro.webdemo.test.TestController.sayHello

即把某个URI映射到类接口级别。基于servlet实现web框架的好处不仅实现简单，还能运行在所有支持servlet容器规范的web server上，例如Tomcat、Jetty。

本文提到的web framework demo可以从我的github 上取得：servlet-web-framework-demo

功能

这个web framework URI action部分（或者说URI routing）如同前面描述，action的编写如：

public class TestController extends BaseController {
  // 返回字符串
  public Result index() {
    return ok("hello world");
  }

  // HTTP 404
  public Result code404() {
    return status(404, "not found");
  }

  // 使用JSP模板渲染
  public Result template() {
    String[] langs = new String[] {"c++", "java", "python"};
    return ok(jsp("index.jsp")
        .put("name", "kevin")
        .put("langs",  langs)
        );
  }
}

有了action之后，配置route文件映射URI即可：

GET /index  com.codemacro.webdemo.test.TestController.index
GET /404    com.codemacro.webdemo.test.TestController.code404
GET /index.jsp com.codemacro.webdemo.test.TestController.template

然后配置web.xml，增加一个filter：

<filter>
  <filter-name>MyWebFilter</filter-name>
  <filter-class>com.codemacro.webdemo.MyServletFilter</filter-class>
</filter>
<filter-mapping>
  <filter-name>MyWebFilter</filter-name>
  <url-pattern>/*</url-pattern>
</filter-mapping>

最后以war的形式部署到Jetty webapps下即可运行。想想下次要再找个什么lightweight Java web framework，直接用这个demo就够了。接下来讲讲一些关键部分的实现。

servlet basic

基于servlet开发的话，引入servlet api是必须的：

<dependency>
    <groupId>javax.servlet</groupId>
    <artifactId>servlet-api</artifactId>
    <version>2.5</version>
    <type>jar</type>
    <scope>compile</scope>
</dependency>

servlet filter的接口包含：

public class MyServletFilter implements Filter {
  // web app启动时调用一次，可用于web框架初始化
  public void init(FilterConfig conf) throws ServletException { }

  // 满足filter url-pattern时就会调用；req/res分别对应HTTP请求和回应
  public void doFilter(ServletRequest req, ServletResponse res,
    FilterChain chain) throws IOException, ServletException { }

  public void destroy() { }
}

init接口可用于启动时载入routes配置文件，并建立URI到action的映射。

action manager

ActionManager负责启动时载入routes配置，建立URI到action的映射。一个URI包含了HTTP method和URI String，例如GET /index。action既然映射到了类接口上，那么可以在启动时就同过Java反射找到对应的类及接口。简单起见，每次收到URI的请求时，就创建这个类对应的对象，然后调用映射的接口即可。

// 例如：registerAction("com.codemacro.webdemo.test.TestController", "index", "/index", "GET");
public void registerAction(String clazName, String methodName, String uri, String method) {
  try {
    uri = "/" + appName + uri;
    // 载入对应的class
    Class<? extends BaseController> clazz = (Class<? extends BaseController>) loadClass(clazName);
    // 取得对应的接口
    Method m = clazz.getMethod(methodName, (Class<?>[])null);
    // 接口要求必须返回Result
    if (m.getReturnType() != Result.class) {
      throw new RuntimeException("action method return type mismatch: " + uri);
    }
    ActionKey k = new ActionKey(uri, getMethod(method));
    ActionValue v = new ActionValue(clazz, m);
    logger.debug("register action {} {} {} {}", clazName, methodName, uri, method);
    // 建立映射
    actions.put(k, v);
  } catch (Exception e) {
    throw new RuntimeException("registerAction failed: " + uri, e);
  }
}

controller都要求派生于BaseController，这样才可以利用BaseController更方便地获取请求数据之类，例如query string/cookie 等。

收到请求时，就需要根据请求的HTTP Method和URI string取得之前建立的映射，并调用之：

public boolean invoke(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws IOException {
  String uri = req.getRequestURI();
  String method = req.getMethod().toUpperCase();
  try {
    // 取得之前建立的映射，Map查找
    ActionValue v = getAction(uri, method);
    // 创建新的controller对象
    BaseController ctl = (BaseController) v.clazz.newInstance();
    ctl.init(req, resp, this);
    logger.debug("invoke action {}", uri);
    // 调用绑定的接口
    Result result = (Result) v.method.invoke(ctl, (Object[]) null);
    // 渲染结果
    result.render();
  } catch (Exception e) {
    ...
  }
}

结果渲染

结果渲染无非就是把框架用户返回的结果渲染为字符串，写进HttpServletResponse。这个渲染过程可以是直接的Object.toString，或者经过模板引擎渲染，或者格式化为JSON。

通过实现具体的Result类，可以扩展不同的渲染方式，例如最基础的Result就是调用返回对象的toString：

public class Result {
  public void render() throws IOException, ServletException {
    PrintWriter writer = response.getWriter();
    // result是controller action里返回的
    writer.append(result.toString());
    writer.close();
  }
}

为了简单，不引入第三方库，可以直接通过JSP来完成。JSP本身在servlet容器中就会被编译成一个servlet对象。

public class JSPResult extends Result {
  ...
  @Override
  public void render() throws IOException, ServletException {
    // 传入一些对象到模板中
    for (Map.Entry<String, Object> entry : content.entrySet()) {
      request.setAttribute(entry.getKey(), entry.getValue());
    }
    // 委托给JSP来完成渲染
    request.getRequestDispatcher(file).forward(request, response);
  }
}

JSP中可以使用传统的scriptlets表达式，也可以使用新的EL方式，例如：

<%@ taglib prefix="c" uri="http://java.sun.com/jsp/jstl/core"%>
<h4>By EL</h4>
<c:forEach var="lang" items="${langs}">
  <span>${lang}</span>|
</c:forEach>

<% String[] langs = (String[]) request.getAttribute("langs"); %>
<% if (langs != null) { %>
<% for (String lang : langs) { %>
  <span><%= lang %></span>|
<% } } %>

使用EL的话需要引入<%@ taglib prefix="c" uri="http://java.sun.com/jsp/jstl/core"%>

BaseController

BaseController是一种template pattern实现，其包装了一些方便的接口给具体的controller使用，例如：

public class BaseController {
  // 取得/index?name=kevin中的name参数值
  protected String getQueryString(String key) {
    return request.getParameter(key);
  }

  protected Result status(int code, String text) {
    response.setStatus(code);
    return new Result(response, text);
  }

  // 默认是HTTP 200
  protected Result ok(Object obj) {
    return new Result(response, obj);
  }

  protected Result ok(Result result) {
    return result;
  }

  protected JSPResult jsp(String file) {
    return new JSPResult(request, response, file, actionMgr);
  }
}

Reverse routing

Reverse routing指的是在开发web过程中，要引入某个URL时，我们不是直接写这个URL字符串，而是写其映射的接口，以使代码更易维护（因为URL可能会随着项目进展而改变）。并且，servlet app部署后URL会带上这个app的名字前缀，例如/web-demo/index中的/web-demo。在模板文件中，例如要链接到其他URI，更好的方式当然是直接写/index。

这里的实现比较丑陋，还是基于字符串的形式，例如：

<a href='<route:reverse action="com.codemacro.webdemo.test.TestController.hello" name="kevin"/>'>index</a>

通过自定义一个EL function reverse来实现。这里需要引入一个JSP的库：

<dependency>
    <groupId>javax.servlet</groupId>
    <artifactId>jsp-api</artifactId>
    <version>2.0</version>
    <optional>true</optional>
</dependency>

首先实现一个SimpleTagSupport，为了支持?name=kevin这种动态参数，还需要implements DynamicAttributes：

public class JSPRouteTag extends SimpleTagSupport implements DynamicAttributes {
  @Override
  // 输出最终的URL
  public void doTag() throws IOException {
    JspContext context = getJspContext();
    ActionManager actionMgr = (ActionManager) context.findAttribute(ACTION_MGR);
    JspWriter out = context.getOut();
    String uri = actionMgr.getReverseAction(action, attrMap);
    out.println(uri);
  }

  @Override
  // name="kevin" 时调用
  public void setDynamicAttribute(String uri, String name, Object value) throws JspException {
    attrMap.put(name, value);
  }

  // `action="xxx"` 时会调用`setAction`
  public void setAction(String action) {
    this.action = action;
  }
}

为了访问到ActionManager，这里是通过写到Request context中实现的，相当hack。

public JSPResult(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp, String file, 
    ActionManager actionMgr) {
  super(resp, null);
  ..
  put(JSPRouteTag.ACTION_MGR, actionMgr);
}

第二步增加一个描述这个新tag的文件 WEB-INF/route_tag.tld：

<taglib>
    <tlibversion>1.0</tlibversion>
    <jspversion>1.1</jspversion>
    <shortname>URLRouteTags</shortname>
    <uri>/myweb-router</uri>
    <info></info>

    <tag>
        <name>reverse</name>
        <tagclass>com.codemacro.webdemo.result.JSPRouteTag</tagclass>
        <bodycontent></bodycontent>
        <info></info>
        <attribute>
            <name>action</name>
            <required>true</required>
        </attribute>
        <dynamic-attributes>true</dynamic-attributes>
    </tag>
</taglib>

最后在需要使用的JSP中引入这个自定义tag：

<%@ taglib prefix="route" uri="/myweb-router" %>

参考资料

• Servlet生命周期与工作原理
• JSP/Servlet工作原理
• EL表达式
• 使用Servlet、JSP开发Web程序
• Java Web笔记 – Servlet中的Filter过滤器的介绍和使用 编写过滤器
• 实现一个简单的Servlet容器