手寫簡易Tomcat核心實現：深入理解Servlet容器原理

一、Tomcat概況

1. tomcat全局圖

2.項目結構概覽

二、實現步驟詳解

2.1 基礎工具包（com.qcby.util）

2.1.1 ResponseUtil：HTTP響應生成工具

2.1.2?SearchClassUtil：類掃描工具

2.1.3?WebServlet：自定義注解

2.2 Servlet核心實現包（com.qcby.webapps.servlet）

2.2.1?HttpServletRequest：請求對象

2.2.2?HttpServletResponse：響應對象

2.2.3?Servlet接口

2.2.4?GenericServlet抽象類

2.2.5?HttpServlet實現類

2.3 業務Servlet實現（com.qcby.webapps.myweb）

2.3.1 LoginServlet

2.3.2?ShowServlet

2.4?核心控制模塊（com.qcby）

2.4.1 ServletConfigMapping：Servlet配置中心

2.4.2 MyTomcat：服務器入口

2.5 運行流程全景圖

2.6 關鍵設計思想

2.6.1 控制反轉：

2.6.2 反射機制：

2.6.3 模板方法模式：

2.6.4 職責分離：

三、總結

????????本文將基于Java實現一個極簡版Tomcat，通過代碼逐層剖析Servlet容器的工作原理。讀者將掌握HTTP協議解析、注解驅動開發、反射機制、類加載等核心技術。

一、Tomcat概況

1. tomcat全局圖

2.項目結構概覽

src
├── com.qcby
│   ├── MyTomcat.java          // 服務啟動類
│   └── ServletConfigMapping.java // Servlet配置映射
├── com.qcby.util
│   ├── ResponseUtil.java      // HTTP響應工具
│   ├── SearchClassUtil.java   // 類掃描工具
│   └── WebServlet.java        // 自定義注解
└── com.qcby.webapps├── myweb                  // 示例Servlet└── servlet                // Servlet核心實現

二、實現步驟詳解

2.1 基礎工具包（com.qcby.util）

2.1.1 ResponseUtil：HTTP響應生成工具

package com.qcby.util;public class ResponseUtil {// 200響應頭模板public static final String responseHeader200 = "HTTP/1.1 200 \r\nContent-Type:text/html; charset=utf-8 \r\n\r\n";// 生成404響應public static String getResponseHeader404(){return "HTTP/1.1 404 \r\nContent-Type:text/html; charset=utf-8 \r\n\r\n404";}// 生成帶內容的200響應public static String getResponseHeader200(String context){return responseHeader200 + context;}
}

核心作用：

標準化HTTP響應格式
提供快速構建響應的靜態方法
支持200/404狀態碼生成

2.1.2?SearchClassUtil：類掃描工具

package com.qcby.util;import java.io.File;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;/**'* 掃描com.qcby.webapps目錄下面的文件，獲取每一個Java文件的全類名*/
public class SearchClassUtil {public static List<String> classPaths = new ArrayList<String>();public static List<String> searchClass(){//需要掃描的包名String basePack = "com.qcby.webapps.myweb";//將獲取到的包名轉換為路徑String classPath = SearchClassUtil.class.getResource("/").getPath();basePack =  basePack.replace(".", File.separator);String searchPath = classPath + basePack;doPath(new File(searchPath),classPath);//這個時候我們已經得到了指定包下所有的類的絕對路徑了。我們現在利用這些絕對路徑和java的反射機制得到他們的類對象return classPaths;}/*** 該方法會得到所有的類，將類的絕對路徑寫入到classPaths中* @param file*/private static void doPath(File file,String classpath) {if (file.isDirectory()) {//文件夾//文件夾我們就遞歸File[] files = file.listFiles();for (File f1 : files) {doPath(f1,classpath);}} else {//標準文件//標準文件我們就判斷是否是class文件if (file.getName().endsWith(".class")) {String path = file.getPath().replace(classpath.replace("/","\\").replaceFirst("\\\\",""),"").replace("\\",".").replace(".class","");//如果是class文件我們就放入我們的集合中。classPaths.add(path);}}}public static void main(String[] args) {List<String> classes = SearchClassUtil.searchClass();for (String s: classes) {System.out.println(s);}}
}

核心作用：

遞歸掃描指定包路徑
轉換.class文件為全限定類名
支持動態類加載的基礎

2.1.3?WebServlet：自定義注解

package com.qcby.util;import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)//源文件階段保留
@Target(ElementType.TYPE)//表明@WebSerlet注解是寫在類上
public @interface WebServlet {//String path=null;String urlMapping() default "" ;
}

核心作用：

替代XML配置的注解式聲明
建立Servlet與URL的映射關系
運行時（RUNTIME）保留策略支持反射讀取可讀取注解信息

2.2 Servlet核心實現包（com.qcby.webapps.servlet）

2.2.1?HttpServletRequest：請求對象

package com.qcby.webapps.servlet.req;public class HttpServletRequest {private String path;private String method;public String getPath(){return path;}public void setPath(String path){this.path=path;}public String getMethod(){return method;}public void setMethod(String method){this.method=method;}
}

職責分離：請求封裝客戶端數據，響應處理輸出流

2.2.2?HttpServletResponse：響應對象

package com.qcby.webapps.servlet.req;import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;public class HttpServletResponse {private OutputStream outputStream;public HttpServletResponse(OutputStream outputStream ){this.outputStream=outputStream;}public void writeServlet(String context) throws IOException{outputStream.write(context.getBytes());}}

2.2.3?Servlet接口

package com.qcby.webapps.servlet;import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletRequest;
import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletResponse;import java.io.IOException;public interface Servlet<response> {public void init();public void service(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws IOException;public void destroy();}

2.2.4?GenericServlet抽象類

package com.qcby.webapps.servlet;public abstract  class GenericServlet implements  Servlet {public void init(){System.out.println("------初始化servlet------");}public void destroy(){System.out.println("------實現servlet對象的銷毀------");}}

2.2.5?HttpServlet實現類

package com.qcby.webapps.servlet;import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletRequest;
import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletResponse;import java.io.IOException;public  abstract  class HttpServlet extends GenericServlet{public void service(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws IOException {if(request.getMethod().equals("GET")){doGet(request,response);}else{doPost(request,response);}}protected  abstract  void doGet(HttpServletRequest request,HttpServletResponse response) throws IOException;protected  abstract  void doPost(HttpServletRequest request,HttpServletResponse response) throws IOException;}

設計模式：模板方法模式處理HTTP方法分發
繼承體系：HttpServlet -> GenericServlet -> Servlet

核心作用：

構建完整的Servlet生命周期
實現HTTP方法的分發機制
提供請求響應的標準接口

2.3 業務Servlet實現（com.qcby.webapps.myweb）

2.3.1 LoginServlet

package com.qcby.webapps.myweb;import com.qcby.util.ResponseUtil;
import com.qcby.util.WebServlet;
import com.qcby.webapps.servlet.HttpServlet;
import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletRequest;
import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletResponse;import java.io.IOException;
@WebServlet(urlMapping = "/login")
public class LoginServlet  extends HttpServlet {@Overrideprotected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws IOException {System.out.println("我是login的doGet方法");response.writeServlet(ResponseUtil.getResponseHeader200("hello"));}@Overrideprotected void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws IOException {}
}

2.3.2?ShowServlet

package com.qcby.webapps.myweb;import com.qcby.util.ResponseUtil;
import com.qcby.util.WebServlet;import com.qcby.webapps.servlet.HttpServlet;
import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletRequest;
import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletResponse;import java.io.IOException;@WebServlet(urlMapping="/show")
public class ShowServlet extends HttpServlet {@Overrideprotected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws IOException {// GET請求處理邏輯System.out.println("我是show");response.writeServlet(ResponseUtil.getResponseHeader200("show"));}@Overrideprotected void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {// POST請求處理邏輯}
}

核心作用：

演示具體業務實現
展示注解驅動的路由配置
體現模板方法模式的應用

2.4?核心控制模塊（com.qcby）

2.4.1 ServletConfigMapping：Servlet配置中心

package com.qcby;import com.qcby.util.SearchClassUtil;
import com.qcby.util.WebServlet;
import com.qcby.webapps.servlet.HttpServlet;import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;public class ServletConfigMapping {public static Map<String, HttpServlet> servletMap =new HashMap<>();static{List<String> classNames = SearchClassUtil.searchClass();for (String path:classNames){try{Class clazz =Class.forName(path);WebServlet webServlet =(WebServlet) clazz.getDeclaredAnnotation(WebServlet.class);HttpServlet servlet =(HttpServlet) clazz.newInstance();servletMap.put(webServlet.urlMapping(), servlet);System.out.println(servletMap);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}}}

核心流程：

靜態初始化塊在類加載時執行
使用SearchClassUtil掃描所有類
通過反射獲取注解信息
實例化Servlet并建立URL映射

2.4.2 MyTomcat：服務器入口

package com.qcby;import com.qcby.webapps.servlet.HttpServlet;
import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletRequest;
import com.qcby.webapps.servlet.req.HttpServletResponse;import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;import static com.qcby.ServletConfigMapping.servletMap;public class MyTomcat {static HttpServletRequest request =new HttpServletRequest();public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket =new ServerSocket(8081);while (true){Socket socket =serverSocket.accept();InputStream inputStream = socket.getInputStream();OutputStream outputStream =socket.getOutputStream();HttpServletResponse response= new HttpServletResponse(outputStream);int count = 0;while (count == 0){count = inputStream.available();}byte[] bytes = new byte[count];inputStream.read(bytes);String Context = new String(bytes);System.out.println(Context);//解析數據if(Context.equals("")){System.out.println("你輸入了一個空請求");}else {String firstLine = Context.split("\\n")[0]; //根據換行來獲取第一行數據request.setPath(firstLine.split("\\s")[1]);request.setMethod(firstLine.split("\\s")[0]);}if(servletMap.containsKey(request.getPath())){System.out.println("存在于HashMap中");HttpServlet servlet=ServletConfigMapping.servletMap.get(request.getPath());servlet.service(request,response);} else {System.out.println("不存在于HashMap中");}}}}

核心流程：

創建ServerSocket監聽8081端口
循環接受客戶端連接
解析HTTP請求首行
根據路徑查找對應的Servlet
調用service方法處理請求
返回404響應處理異常路徑

2.5 運行流程全景圖

啟動流程：
1. MyTomcat.main()啟動
2. ServletConfigMapping靜態塊初始化→ SearchClassUtil掃描類→ 反射創建Servlet實例→ 建立URL映射表請求處理流程：
客戶端請求 → ServerSocket接收 → 解析請求路徑 → 
查找Servlet映射 → 調用service() → 執行doGet/doPost → 
生成響應 → 返回客戶端