一種基于Servlet的控制層軟件框架設(shè)計(jì)

史夢(mèng)安，馬 壯

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

一種基于Servlet的控制層軟件框架設(shè)計(jì)

史夢(mèng)安，馬 壯

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

使用“IOC模式”以及“單例模式”等設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了一種以Servlet作為Http請(qǐng)求入口的非侵入式控制層軟件框架，通過Java反射技術(shù)建立了“IOC容器”并對(duì)其運(yùn)行效率進(jìn)行了研究。該框架可以針對(duì)不同請(qǐng)求，動(dòng)態(tài)實(shí)例化控制器對(duì)象，實(shí)現(xiàn)控制反轉(zhuǎn)和請(qǐng)求分發(fā)，從而有效降低模塊間耦合，提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性及開發(fā)效率。

Servlet；控制層軟件框架；Java反射技術(shù)；IOC；非侵入式

0 引言

Servlet是Java編程語言的Web服務(wù)器端編程技術(shù)，運(yùn)行在 Java-enabled Web Server 中。Servlet基于請(qǐng)求/響應(yīng)模式提供Web服務(wù)，可針對(duì)不同請(qǐng)求作出不同響應(yīng)，常作為MVC模式中的Control模塊[1]進(jìn)行請(qǐng)求的分發(fā)。Spring MVC、Struts等企業(yè)級(jí)應(yīng)用開發(fā)框架即以Servlet為核心，但Spring MVC、Struts等框架幾乎封裝了一般Web項(xiàng)目涉及的所有領(lǐng)域：控制器、過濾器，甚至標(biāo)簽庫(kù)。小型應(yīng)用的開發(fā)可能只需要框架的請(qǐng)求分發(fā)功能，但必須搭建一個(gè)完整框架，令含小型應(yīng)用的開發(fā)流程過于臃腫。本文設(shè)計(jì)了一種“輕量級(jí)”、非侵入式的基于Servlet的控制層軟件框架，以降低小型應(yīng)用開發(fā)難度，提高開發(fā)效率。

1 基于Servlet的請(qǐng)求分發(fā)

Servlet中定義有doGet()和doPost()兩個(gè)處理請(qǐng)求的方法，即每個(gè)Servlet可以接收兩個(gè)不同的Http請(qǐng)求，并將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯中進(jìn)行處理。在業(yè)務(wù)邏輯稍微復(fù)雜、需要服務(wù)端同時(shí)處理多種請(qǐng)求時(shí)，Servlet功能的局限性便凸顯出來。Servlet處理多種請(qǐng)求有兩種方式：①建立多個(gè)Servlet；②傳遞參數(shù)。建立多個(gè)Servlet會(huì)提高代碼冗余度和耦合度，降低功能內(nèi)聚。傳參方式只需一個(gè)Servlet，通過獲取請(qǐng)求中傳入的方法參數(shù)來配合邏輯分支語句。理論上一個(gè)Servlet可處理多個(gè)不同請(qǐng)求，如圖1所示。

通過傳參方式所實(shí)現(xiàn)的Servlet響應(yīng)多請(qǐng)求，會(huì)導(dǎo)致代碼冗余度高，耦合度提升，不利于團(tuán)隊(duì)開發(fā)，且系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性差[2]。為降低耦合、提升系統(tǒng)性能，本文設(shè)計(jì)了一種基于Servlet的控制層軟件框架，可提升開發(fā)效率。

圖1 傳參實(shí)現(xiàn)Servlet響應(yīng)多請(qǐng)求

2 基于Servlet的控制層軟件框架設(shè)計(jì)

基于請(qǐng)求/響應(yīng)的傳統(tǒng)開發(fā)模式是由Consumer(在Web應(yīng)用中一般指代處理用戶請(qǐng)求的線程)管理控制層和業(yè)務(wù)層對(duì)象之間的依賴關(guān)系，每次接受請(qǐng)求時(shí)都需要Consumer進(jìn)行實(shí)例化對(duì)象，導(dǎo)致系統(tǒng)的耦合度高，性能低，可擴(kuò)展性較差。可以使用“控制反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)模式(IOC)”[3]對(duì)原有的技術(shù)框架進(jìn)行改進(jìn)，使用RESTful風(fēng)格設(shè)計(jì)HTTP請(qǐng)求的URL，將需要訪問的業(yè)務(wù)對(duì)象名和操作名融入U(xiǎn)RL路徑。

2.1 “IOC容器”設(shè)計(jì)

“IOC”(控制反轉(zhuǎn))即反轉(zhuǎn)依賴對(duì)象的獲得過程[4]。通過建立“IOC容器”，使獲取依賴對(duì)象的方式由傳統(tǒng)的Consumer主動(dòng)實(shí)例化對(duì)象，轉(zhuǎn)變?yōu)镃onsumer向“IOC容器”申請(qǐng)對(duì)象。由“IOC容器”實(shí)例化依賴對(duì)象，可有效降低系統(tǒng)耦合。

“IOC容器”使用反射技術(shù)進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，本文基于“工廠設(shè)計(jì)模式”、結(jié)合Java反射技術(shù)建立“Method對(duì)象工廠”[5]作為“IOC容器”的核心。Consumer提交所需對(duì)象的類名和方法名，向“IOC容器”申請(qǐng)依賴對(duì)象，“IOC容器”控制“Method對(duì)象工廠”使用類名和方法名動(dòng)態(tài)生成對(duì)象，并調(diào)用方法以實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)邏輯(見圖2)，完成控制反轉(zhuǎn)。

圖2 IOC容器實(shí)現(xiàn)

以Servlet作為容器入口，接收到客戶端Http請(qǐng)求而不作數(shù)據(jù)處理，可直接將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至“IOC容器”[6]。該“IOC容器”可以有效接管Servlet的請(qǐng)求分發(fā)工作，削減系統(tǒng)耦合，提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。但類名和方法名參數(shù)采用GET方式傳遞時(shí)，會(huì)暴露系統(tǒng)架構(gòu)，降低系統(tǒng)安全性。

2.2 URL路徑設(shè)計(jì)

為提升系統(tǒng)的安全性和易用性，客戶端不使用URL GET方式提交數(shù)據(jù)。使用RESTful風(fēng)格設(shè)計(jì)HTTP請(qǐng)求的URL路徑如下：

http://host:port/path/類名/方法名/參數(shù)1/參數(shù)2/...

“IOC容器”對(duì)請(qǐng)求RESTful風(fēng)格的URL進(jìn)行解析，根據(jù)解析出的兩個(gè)資源名對(duì)應(yīng)本次請(qǐng)求需調(diào)用的類名和方法名。為隱藏真實(shí)類名、提升反射性能，“IOC容器”使用HashMap表映射控制器的Class類結(jié)構(gòu)對(duì)象。根據(jù)自定義類名，“IOC容器”從HashMap中獲取對(duì)應(yīng)的Class對(duì)象，通過Method對(duì)象工廠，動(dòng)態(tài)獲取類的帶參構(gòu)造器并傳入HttpRequest和HttpResponse參數(shù)實(shí)例化對(duì)象，然后由容器調(diào)用相應(yīng)的方法。系統(tǒng)通過“IOC容器”掌握對(duì)象的調(diào)用權(quán)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制反轉(zhuǎn)，工作流程如圖3所示。

圖3 IOC容器工作流程

通過構(gòu)建非侵入式的“IOC容器”，對(duì)Servlet轉(zhuǎn)發(fā)的不同Http請(qǐng)求動(dòng)態(tài)創(chuàng)建所需的對(duì)象和方法，解決了代碼間的高耦合問題，有利于功能復(fù)用，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，便于團(tuán)隊(duì)開發(fā)。但Java反射技術(shù)所占用的大量計(jì)算機(jī)資源需進(jìn)一步優(yōu)化。

3 框架優(yōu)化與改進(jìn)

3.1 “對(duì)象緩存池”設(shè)計(jì)

當(dāng)通過該框架實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制層時(shí)，所有請(qǐng)求都由Method對(duì)象工廠通過Java反射技術(shù)分發(fā)至具體控制器[7]，每個(gè)請(qǐng)求都會(huì)在Method對(duì)象工廠中通過newInstance()方法創(chuàng)建新對(duì)象，導(dǎo)致大量的計(jì)算機(jī)資源被Java反射機(jī)制占用。為提升系統(tǒng)性能、降低Java反射機(jī)制的資源消耗，可以設(shè)計(jì)一個(gè)“對(duì)象緩存池”緩存控制器對(duì)象，僅第一次調(diào)用該對(duì)象時(shí)會(huì)通過newInstance()方法實(shí)例化對(duì)象，之后調(diào)用都從“對(duì)象緩存池”中取用。

在使用“對(duì)象緩存池”時(shí)，每次Http請(qǐng)求對(duì)應(yīng)不同的HttpRequest和HttpResponse，首次緩存對(duì)象時(shí)直接傳入HttpRequest來實(shí)例化對(duì)象，會(huì)導(dǎo)致緩存池中Object對(duì)象的參數(shù)一成不變，導(dǎo)致程序陷入死循環(huán)。為解決這一問題，使用“單例設(shè)計(jì)模式”[8]封裝Http請(qǐng)求，將Http對(duì)象作為參數(shù)代入構(gòu)造器并實(shí)例化對(duì)象，此時(shí)Http作為形參傳入的僅是對(duì)象的首地址，即可解決Request請(qǐng)求的更新問題。改進(jìn)后的框架工作流程如圖4所示。

圖4 “對(duì)象緩存池”和Http單例對(duì)象

3.2 性能測(cè)試

實(shí)際測(cè)試硬件設(shè)備選用的CPU為：Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2630 0 @ 2.30GHz，單核，內(nèi)存2G。通過測(cè)試程序訪問框架中的同一個(gè)控制器，測(cè)試結(jié)果取1 000次的平均值。

首次運(yùn)行newInstance()創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，緩存池為空，所以二者運(yùn)行性能相近，此時(shí)對(duì)象存入緩存池時(shí)比直接使用newInstance()多出一個(gè)操作步驟，運(yùn)行耗時(shí)略高(見圖5，單位：ns)。

圖5 首次運(yùn)行NewInstance()耗時(shí)對(duì)比

在第一次創(chuàng)建對(duì)象后，若使用之前已創(chuàng)建過的對(duì)象，可直接從“緩存”中讀取，使用newInstance()創(chuàng)建對(duì)象和使用“緩存池”緩存對(duì)象兩種方式耗時(shí)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，使用緩存時(shí)效率平均提升了23.8倍(見圖6，單位：ns)。

4 結(jié)語

本文首先基于“控制反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)模式(IOC)”設(shè)計(jì)了“IOC容器”，使用Java反射技術(shù)建立Method對(duì)象工廠實(shí)現(xiàn)控制反轉(zhuǎn)，并利用該容器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Servlet的控制層軟件框架。之后利用“對(duì)象緩存池”以及“單例設(shè)計(jì)模式”對(duì)框架進(jìn)行性能優(yōu)化，使框架運(yùn)行效率大幅提升，并降低資源占用。該框架具有較好的擴(kuò)展性及穩(wěn)定性，提高了模塊的健壯性和功能內(nèi)聚性，可為各類中小型應(yīng)用項(xiàng)目的研發(fā)提供借鑒。

圖6 非首次運(yùn)行NewInstance()耗時(shí)對(duì)比

[1] 馮錫煒,侯彤璞,張飛俠.Servlet技術(shù)在Web應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào),2005(1):13-16.

[2] 史夢(mèng)安,王志勃.基于Android系統(tǒng)的TCP/IP客戶端異步通信模塊研究[J].軟件導(dǎo)刊,2014(10):115-118.

[3] RICHARD EG,RALPH H,JOHNSON R,et al.Design paterns:elements of reusable object-oriented software[M].Beijing:China Machine Press,2013.

[4] 魏學(xué)松,張育平.IOC框架的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2006(3):213-216.

[5] 尹松強(qiáng),傅鸝.Java反射機(jī)制探究[J].軟件導(dǎo)刊,2008(11):85-87.

[6] 馮鐵,李文錦,張家晨,等.面向Java語言的設(shè)計(jì)模式抽取方法的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005(25):23-38.

[7] 吳東慶,胡小健,楊逢建.反射機(jī)制下類工廠模式的實(shí)現(xiàn)與研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2006(3):705-707.

[8] 陳翠娥.Java單例模式應(yīng)用研究[J].長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010(1):114-116.

(責(zé)任編輯：黃 健)

Design of a Kind of Controller Layer Software Framework Based on Servlet

This article use “IOC” and singleton pattern to design a kind of controller layer software framework based on servlet,and built an IOC container by Java reflection techniques and a research are made on it’s running efficiency.This framework can dynamically instantiate controller objects for different requests,and distributes the requests through implementation of IOC,it can effectively reduce the coupling of modules and improve system expansibility and development efficiency.

Servlet; Controller Layer Software Framework; Java Reflection Techniques; IOC; Non-intrusive

江蘇省淮安市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(HAN2015035-2)

史夢(mèng)安(1985-)，男，山東臨沂人，碩士，淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院講師、工程師，研究方向?yàn)檐浖こ獭⒁苿?dòng)互聯(lián)應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

10.11907/rjdk.162851

TP319

A

1672-7800(2017)003-0083-03