Day696.Jetty如何实现具有上下文信息的责任链 -深入拆解 Tomcat & Jetty

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Jetty如何实现具有上下文信息的责任链

Hi，阿昌来也，今天学习记录的内容是关于Jetty如何实现具有上下文信息的责任链。

Tomcat 和 Jetty 的核心功能是处理请求，并且请求的处理者不止一个，因此 Tomcat 和 Jetty 都实现了责任链模式，其中 Tomcat 是通过 Pipeline-Valve 来实现的，而 Jetty 是通过 HandlerWrapper 来实现的。

HandlerWrapper 中保存了下一个 Handler 的引用，将各 Handler 组成一个链表，像下面这样：

WebAppContext -> SessionHandler -> SecurityHandler -> ServletHandler

这样链中的 Handler 从头到尾能被依次调用，除此之外，Jetty 还实现了“回溯”的链式调用，那就是从头到尾依次链式调用 Handler 的方法 A，完成后再回到头节点，再进行一次链式调用，只不过这一次调用另一个方法 B。

一次链式调用不就够了吗，为什么还要回过头再调一次呢？这是因为一次请求到达时，Jetty 需要先调用各 Handler 的初始化方法，之后再调用各 Handler 的请求处理方法，并且初始化必须在请求处理之前完成。

而 Jetty 是通过 ScopedHandler 来做到这一点的，那 ScopedHandler 跟 HandlerWrapper 有什么关系呢？

ScopedHandler 是 HandlerWrapper 的子类，各种 Handler 的继承关系：

从图上我们看到，ScopedHandler 是 Jetty 非常核心的一个 Handler，跟 Servlet 规范相关的 Handler，比如 ContextHandler、SessionHandler、ServletHandler、WebappContext 等都直接或间接地继承了 ScopedHandler。

一、HandlerWrapper

HandlerWrapper 的源码：

public class HandlerWrapper extends AbstractHandlerContainer

   protected Handler _handler;
   
   @Override
    public void handle(String target, 
                       Request baseRequest, 
                       HttpServletRequest request, 
                       HttpServletResponse response) 
                       throws IOException, ServletException
    
        Handler handler=_handler;
        if (handler!=null)
            handler.handle(target,baseRequest, request, response);

从代码可以看到它持有下一个 Handler 的引用，并且会在 handle 方法里调用下一个 Handler。

二、ScopedHandler

ScopedHandler 的父类是 HandlerWrapper，ScopedHandler 重写了 handle 方法，在 HandlerWrapper 的 handle 方法的基础上引入了 doScope 方法。

public final void handle(String target, 
                         Request baseRequest, 
                         HttpServletRequest request,
                         HttpServletResponse response) 
                         throws IOException, ServletException

    if (isStarted())
    
        if (_outerScope==null)
            doScope(target,baseRequest,request, response);
        else
            doHandle(target,baseRequest,request, response);

上面的代码中是根据_outerScope是否为 null 来判断是使用 doScope 还是 doHandle 方法。

那_outScope又是什么呢？

_outScope是 ScopedHandler 引入的一个辅助变量，此外还有一个_nextScope变量。

protected ScopedHandler _outerScope;
protected ScopedHandler _nextScope;

private static final ThreadLocal<ScopedHandler> __outerScope= new ThreadLocal<ScopedHandler>();

我们看到__outerScope是一个 ThreadLocal 变量，ThreadLocal 表示线程的私有数据，跟特定线程绑定。

需要注意的是__outerScope实际上保存了一个 ScopedHandler。

ScopedHandler 继承自 HandlerWrapper，所以也是可以形成 Handler 链的，Jetty 的源码注释中给出了下面这样一个例子：

ScopedHandler scopedA;
ScopedHandler scopedB;
HandlerWrapper wrapperX;
ScopedHandler scopedC;

scopedA.setHandler(scopedB);
scopedB.setHandler(wrapperX);
wrapperX.setHandler(scopedC)

经过上面的设置之后，形成的 Handler 链是这样的：

上面的过程只是设置了_handler变量，那_outScope和_nextScope需要设置成什么样呢？

为了方便你理解，我们先来看最后的效果图：


从上图我们看到：

scopedA 的_nextScope=scopedB，scopedB 的_nextScope=scopedC，为什么 scopedB 的_nextScope不是 WrapperX 呢，因为 WrapperX 不是一个 ScopedHandler。scopedC 的_nextScope是 null（因为它是链尾，没有下一个节点）。

因此我们得出一个结论：_nextScope指向下一个 Scoped 节点的引用，由于 WrapperX 不是 Scoped 节点，它没有_outScope和_nextScope变量。

注意到 scopedA 的_outerScope是 null，scopedB 和 scopedC 的_outScope都是指向 scopedA，即_outScope指向的是当前 Handler 链的头节点，头节点本身_outScope为 null。

弄清楚了_outScope和_nextScope的含义，下一个问题就是对于一个 ScopedHandler 对象如何设置这两个值以及在何时设置这两个值。

答案是在组件启动的时候，下面是 ScopedHandler 中的 doStart 方法源码：

@Override
protected void doStart() throws Exception

   try
   
       //请注意_outScope是一个实例变量，而__outerScope是一个全局变量。先读取全局的线程私有变量__outerScope到_outerScope中
		_outerScope=__outerScope.get();

       //如果全局的__outerScope还没有被赋值，说明执行doStart方法的是头节点
       if (_outerScope==null)
           //handler链的头节点将自己的引用填充到__outerScope
           __outerScope.set(this);

       //调用父类HandlerWrapper的doStart方法
       super.doStart();
       //各Handler将自己的_nextScope指向下一个ScopedHandler
       _nextScope= getChildHandlerByClass(ScopedHandler.class);
   
   finally
   
       if (_outerScope==null)
           __outerScope.set(null);

为什么要设计这样一个全局的__outerScope，这是因为这个变量不能通过方法参数在 Handler 链中进行传递，但是在形成链的过程中又需要用到它。

当 scopedA 调用 start 方法时，会把自己填充到__scopeHandler中，接着 scopedA 调用super.doStart。

由于 scopedA 是一个 HandlerWrapper 类型，并且它持有的_handler引用指向的是 scopedB，所以super.doStart实际上会调用 scopedB 的 start 方法。

这个方法里同样会执行 scopedB 的 doStart 方法，不过这次__outerScope.get方法返回的不是 null 而是 scopedA 的引用，所以 scopedB 的_outScope被设置为 scopedA。

接着super.dostart会进入到 scopedC，也会将 scopedC 的_outScope指向 scopedA。

到了 scopedC 执行 doStart 方法时，它的_handler属性为 null（因为它是 Handler 链的最后一个），所以它的super.doStart会直接返回。

接着继续执行 scopedC 的 doStart 方法的下一行代码：

_nextScope=(ScopedHandler)getChildHandlerByClass(ScopedHandler.class)

对于 HandlerWrapper 来说 getChildHandlerByClass 返回的就是其包装的_handler对象，这里返回的就是 null。

所以 scopedC 的_nextScope为 null，这段方法结束返回后继续执行 scopedB 中的 doStart 中，同样执行这句代码：

_nextScope=(ScopedHandler)getChildHandlerByClass(ScopedHandler.class)

因为 scopedB 的_handler引用指向的是 scopedC，所以 getChildHandlerByClass 返回的结果就是 scopedC 的引用，即 scopedB 的_nextScope指向 scopedC。

同理 scopedA 的_nextScope会指向 scopedB。scopedA 的 doStart 方法返回之后，其_outScope为 null。

请注意执行到这里只有 scopedA 的_outScope为 null，所以 doStart 中 finally 部分的逻辑被触发，这个线程的 ThreadLocal 变量又被设置为 null。

finally

    if (_outerScope==null)
        __outerScope.set(null);

_outScope和_nextScope的值到底有什么用？

如果你觉得上面的过程比较复杂，可以跳过这个过程，直接通过上面的图来理解_outScope和_nextScope的值，而这样设置的目的是用来控制 doScope 方法和 doHandle 方法的调用顺序。

实际上在 ScopedHandler 中对于 doScope 和 doHandle 方法是没有具体实现的，但是提供了 nextHandle 和 nextScope 两个方法，下面是它们的源码：

public void doScope(String target, 
                    Request baseRequest, 
                    HttpServletRequest request, 
                    HttpServletResponse response)
       throws IOException, ServletException

    nextScope(target,baseRequest,request,response);


public final void nextScope(String target, 
                            Request baseRequest, 
                            HttpServletRequest request,
                            HttpServletResponse response)
                            throws IOException, ServletException

    if (_nextScope!=null)
        _nextScope.doScope(target,baseRequest,request, response);
    else if (_outerScope!=null)
        _outerScope.doHandle(target,baseRequest,request, response);
    else
        doHandle(target,baseRequest,request, response);


public abstract void doHandle(String target, 
                              Request baseRequest, 
                              HttpServletRequest request,
                              HttpServletResponse response)
       throws IOException, ServletException;
       

public final void nextHandle(String target, 
                             final Request baseRequest,
                             HttpServletRequest request,
                             HttpServletResponse response) 
       throws IOException, ServletException

    if (_nextScope!=null && _nextScope==_handler)
        _nextScope.doHandle(target,baseRequest,request, response);
    else if (_handler!=null)
        super.handle(target,baseRequest,request,response);

从 nextHandle 和 nextScope 方法大致上可以猜到 doScope 和 doHandle 的调用流程。

通过一个调用栈来理解：

A.handle(...)
    A.doScope(...)
      B.doScope(...)
        C.doScope(...)
          A.doHandle(...)
            B.doHandle(...)
              X.handle(...)
                C.handle(...)
                  C.doHandle(...)

因此通过设置_outScope和_nextScope的值，并且在代码中判断这些值并采取相应的动作，目的就是让 ScopedHandler 链上的 doScope 方法在 doHandle、handle 方法之前执行。

并且不同 ScopedHandler 的 doScope 都是按照它在链上的先后顺序执行的，doHandle 和 handle 方法也是如此。

这样 ScopedHandler 帮我们把调用框架搭好了，它的子类只需要实现 doScope 和 doHandle 方法。

比如在 doScope 方法里做一些初始化工作，在 doHanlde 方法处理请求。

三、ContextHandler

接下来我们来看看 ScopedHandler 的子类 ContextHandler 是如何实现 doScope 和 doHandle 方法的。

ContextHandler 可以理解为 Tomcat 中的 Context 组件，对应一个 Web 应用，它的功能是给 Servlet 的执行维护一个上下文环境，并且将请求转发到相应的 Servlet。

那什么是 Servlet 执行的上下文？我们通过 ContextHandler 的构造函数来了解一下：

private ContextHandler(Context context, HandlerContainer parent, String contextPath)

    //_scontext就是Servlet规范中的ServletContext
    _scontext = context == null?new Context():context;
  
    //Web应用的初始化参数
    _initParams = new HashMap<String, String>();
    ...

我们看到 ContextHandler 维护了 ServletContext 和 Web 应用的初始化参数。

那 ContextHandler 的 doScope 方法做了些什么呢？

它的关键代码：

public void doScope(String target, Request baseRequest, HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws IOException, ServletException

  ...
    //1.修正请求的URL，去掉多余的'/'，或者加上'/'
    if (_compactPath)
        target = URIUtil.compactPath(target);
    if (!checkContext(target,baseRequest,response))
        return;
    if (target.length() > _contextPath.length())
    
        if (_contextPath.length() > 1)
            target = target.substring(_contextPath.length());
        pathInfo = target;
    
    else if (_contextPath.length() == 1)
    
        target = URIUtil.SLASH;
        pathInfo = URIUtil.SLASH;
    
    else
    
        target = URIUtil.SLASH;
        pathInfo = null;
    

  //2.设置当前Web应用的类加载器
  if (_classLoader != null)
  
      current_thread = Thread.currentThread();
      old_classloader = current_thread.getContextClassLoader();
      current_thread.setContextClassLoader(_classLoader);
  
  
  //3. 调用nextScope
  nextScope(target,baseRequest,request,response);
  
  ...

从代码我们看到在 doScope 方法里主要是做了一些请求的修正、类加载器的设置，并调用 nextScope，请你注意 nextScope 调用是由父类 ScopedHandler 实现的。

接着我们来 ContextHandler 的 doHandle 方法：

public void doHandle(String target, Request baseRequest, HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws IOException, ServletException

    final DispatcherType dispatch = baseRequest.getDispatcherType();
    final boolean new_context = baseRequest.takeNewContext();
    try
    
         //请求的初始化工作,主要是为请求添加ServletRequestAttributeListener监听器,并将"开始处理一个新请求"这个事件通知ServletRequestListener
        if (new_context)
            requestInitialized(baseRequest,request);

        ...
 
        //继续调用下一个Handler，下一个Handler可能是ServletHandler、SessionHandler ...
        nextHandle(target,baseRequest,request,response);
    
    finally
    
        //同样一个Servlet请求处理完毕，也要通知相应的监听器
        if (new_context)
            requestDestroyed(baseRequest,request);

从上面的代码我们看到 ContextHandler 在 doHandle 方法里分别完成了相应的请求处理工作。

五、总结

Jetty 中 ScopedHandler 的实现原理，剖析了如何实现链式调用的“回溯”。

主要是确定了 doScope 和 doHandle 的调用顺序，doScope 依次调用完以后，再依次调用 doHandle，它的子类比如 ContextHandler 只需要实现 doScope 和 doHandle 方法，而不需要关心它们被调用的顺序。

这背后的原理是，ScopedHandler 通过递归的方式来设置_outScope和_nextScope两个变量，然后通过判断这些值来控制调用的顺序。

递归是计算机编程的一个重要的概念，在各种面试题中也经常出现，如果你能读懂 Jetty 中的这部分代码，毫无疑问你已经掌握了递归的精髓。

另外我们进行层层递归调用中需要用到一些变量，比如 ScopedHandler 中的__outerScope，它保存了 Handler 链中的头节点，但是它不是递归方法的参数，那参数怎么传递过去呢？

一种可能的办法是设置一个全局变量，各 Handler 都能访问到这个变量。但这样会有线程安全的问题，因此 ScopedHandler 通过线程私有数据 ThreadLocal 来保存变量，这样既达到了传递变量的目的，又没有线程安全的问题。

ScopedHandler 的 doStart 方法，最后一步是将线程私有变量__outerScope设置成 null，为什么需要这样做呢？

为了下次请求复用，可以重新处理下一次请求。
因为线程是用池化技术，下次请求优先共用线程，而不是新建线程，每一次请求的请求链互不影响。

以上是关于Day696.Jetty如何实现具有上下文信息的责任链 -深入拆解 Tomcat & Jetty的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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