探究Web服务器的访问机制

1.实验目的

移动设备的硬件资源比较有限，从而限制了移动设备的计算能力、存储能力、共享能力等。移动设备具有便于携带、可随时访问网络等特点，比较适合做客户端。目前很多应用中都使用了客户端/服务器端这种方式，服务器端可以向客户端推送信息，客户端向服务器端请求数据，服务器端还可以承担数据保存、数据处理等消耗资源的任务。

本实验介绍的是Android应用程序与Web服务器整合的应用程序。服务器端使用MySQL数据库和Eclipse Java EE版本进行开发，中间层采用Servlet，数据库连接使用c3p0技术对数据库进行操作。

本实验的主要目的包括以下几点。

（1）熟悉基本的服务器端环境搭建方法。

（2）熟悉Android客户端和Web服务器端数据交互的方式。

（3）掌握Android客户端和Web服务器端JSON数据封装和解析的方式。

（4）掌握Web服务器端的Servlet和数据库技术，主要包括HttpServlet、c3p0数据库连接池配置和使用，数据库常用操作包括预处理语句PreparedStatement对象、结果集ResultSet对象、数据库连接Connection的获取和关闭。

2.安装MySQL

（1）下载MySQL，这里以MySQL Community Server 8.0.17为例，如图5.17所示。MySQL分为安装版和压缩版，这里推荐下载压缩版。下载完成后解压压缩包，这里解压至C：\Program Files目录下。

图5.17　下载MySQL

（2）在解压后的目录C：\Program Files\mysql-8.0.17-winx64下创建文件my.ini，并且设置该文件的内容如下。

注意：datadir需要设置成自己的MySQL的解压缩目录。

（3）配置MySQL的环境变量，首先创建MYSQL_HOME系统变量，然后将%MYSQL_HOME%\bin加入环境变量，如图5.18和图5.19所示。

图5.18　配置MYSQL_HOME系统变量

（4）以管理员身份运行cmd进入Windows命令行终端，执行“mysqld--initialize”命令对MySQL进行初始化，此时会在C：\Program Files\mysql-8.0.17-winx64目录下生成一个新目录data，命令执行完毕后可以看到root用户生成的随机密码，如图5.20所示。

（5）安装和启动MySQL服务。在命令行终端执行“mysqld--install”命令安装mysqld服务，执行“net start mysql”命令启动MySQL服务。

（6）登录MySQL并修改随机密码。在命令行终端执行“mysql-u root-p”命令，连接MySQL数据库，输入类似图5.20中随机生成的密码，执行以下SQL命令重置root密码。

图5.19　配置path环境变量

图5.20　初始化MySQL

（7）不需要使用MySQL时输入“exit；”退出。

（8）删除MySQL数据库。首先输入“net stop mysql”命令，停止MySQL服务；然后输入“mysqld-remove”移除mysqld服务；最后删除MySQL所在目录。

3.安装Eclipse Java EE

（1）下载Eclipse Java EE。下载地址为https：//www.eclipse.org/downloads/packages，本实验以“eclipse-jee-2018-09-win32-x86_64”这个版本为例。

（2）下载完成后解压缩“eclipse-jee-2018-09-win32-x86_64.zip”至“C：\Program Files”目录。

（3）下载并解压Java EE SDK。Oracle官网下载地址为https：//www.oracle.com/technetwork/java/javaee/downloads/java-ee-sdk-downloads-3908423.html，下载完成后解压至任意目录。

（4）安装GlassFish应用服务器。运行解压后的文件glassfish4\bin\pkg.bat，提示“是否安装输入y/n”时，输入“y”后按“Enter”键，直至完成安装。

（5）在操作系统桌面创建Eclipse的快捷方式。右击C：\Program Files\eclipse\Eclipse.exe，在弹出的快捷菜单中选择“发送到”|“桌面快捷方式”，并将快捷方式命名为“Eclipse”，以后双击系统桌面上的快捷图标即可运行。

4.配置Tomcat应用服务器

（1）下载Tomcat应用服务器。下载地址为http：//tomcat.apache.org/，Tomcat的版本较多，本实验以“apache-tomcat-9.0.13-windows-x64”这个版本为例。

（2）解压缩“apache-tomcat-9.0.13-windows-x64.zip”至“C：\Program Files”目录。

（3）运行Eclipse Java EE，依次选择菜单栏中的“Window”|“Preferences”，然后选择“Server”|“Runtime Environments”，如图5.21（a）所示，单击“Add”按钮弹出图5.21（b）所示的界面，新建一个服务器，这里选择“Apache Tomcat v9.0”。在弹出的窗口的“Tomcat installation directory”文本框中输入Tomcat的安装目录，单击“Finish”完成配置。

图5.21　配置Tomcat应用服务器

5.Eclipse环境设置

（1）设置Eclipse的默认字符集。在Eclipse中默认使用当前操作系统的字符集，一般为GBK，然而我们开发Web应用程序时，一般使用UTF-8，所以需要设置默认字符集。依次选择菜单栏中的“Window”|“Preferences”，选择“General”|“Workspace”，在“Text file encoding”|“Other”区域选择“UTF-8”，如图5.22所示。这样以后新建项目时会默认使用UTF-8字符集。

图5.22　设置Eclipse的默认字符集

（2）设置Build Path。在开发Web应用程序时会用到Tomcat，需要将Tomcat/lib加入编译路径中，否则在建立JSP文件时会出现图5.23所示的错误。为了解决该问题，需要为Eclipse中设置编译运行Java Web项目所需要的jar依赖。具体操作过程为：选择菜单栏中的“Window”|“Preferences”，在弹出的窗口中选择“Java”|“Build Path”|“Classpath Variables”，单击“New…”按钮，新建名为“Tomcat Server”的变量，将Path设置为Tomcat安装目录下的lib目录，如图5.24所示，lib目录下有Web项目所需要的jar包，然后单击“OK”按钮。

图5.23　报错找不到HttpServlet类

图5.24　设置项目基本依赖

然后添加User Libraries，即向以后的每个工程添加依赖的jar包。在图5.24所示的界面中选择“Java”|“Build Path”|“User Libraries”，单击“New…”按钮，新建名为“Tomcat Server”的User Libraries。然后单击“Add External JARs…”按钮，将之前安装的tomcat/lib目录下的所有jar文件选中（快捷键为“Ctrl+A”）后单击“OK”，完成后如图5.25所示。

图5.25　设置User Libraries

（3）新建Web服务器。在Eclipse主界面依次选择“Window”|“Show View”|“Other”|“Server”|“Servers”查看已创建的Web服务器，如图5.26所示。

为避免启动服务器时出现图5.27所示的错误，右击“Tomcat v9.0 Server at localhost”删除该服务器。单击链接“No servers are available…”，如图5.28所示，重新创建一个Web服务器。在图5.29所示的界面中选择“Tomcat v9.0 Server”，单击“Finish”按钮完成服务器的创建。

图5.26　Web服务器窗口

图5.27　Web服务器报错

图5.28　Web服务器报错信息

6.HttpServlet介绍

Servlet由两个Java包组成：javax.servlet和javax.servlet.http。在javax.servlet包中定义了所有Servlet类都必须实现或扩展的通用接口和类。在javax.servlet.http包中定义了采用HTTP（超文本传输协议）的HttpServlet类。HTTP的请求方式包括GET、POST、HEAD、DELETE、OPTIONS、PUT和TRACE，在HttpServlet类中提供了相对应的服务方法，分别为doGet（）、doPost（）、do Head（）、doDelete（）、doOptions（）、doPut（）和do Trace（），本实验主要使用了doGet（）和doPost（）两种方法。

图5.29　新建Web服务器

GET请求和POST请求差异较多，最本质的区别主要包括以下几点。

（1）安全性：GET请求的参数放在URL中，如将用户名和密码放入URL中：http：//localhost：8080/index/login？username=123456&password=1q2w3e4r，而POST请求的参数是放在请求body中的，所以GET相对来说安全性有所欠缺，不能用于传递敏感信息。

（2）长度：GET请求的URL传参有长度限制，一般来说提交的数据最大是2 KB，而POST请求没有长度限制。

（3）编码：GET请求的参数只能是ASCII码，所以中文需要URL编码，而POST请求传参没有这个限制。

本实验中使用HttpServlet容器响应Android客户端请求的整个流程如下所述。

（1）Android客户端向服务器端Servlet容器发出HTTP请求。

（2）Servlet容器解析来自Android客户端的HTTP请求。

（3）Servlet容器创建一个Http Request对象，在这个对象中封装HTTP请求信息。

（4）Servlet容器创建一个Http Response对象。

（5）Servlet容器调用HttpServlet的service（）方法，把Http Request和Http Response对象作为service（）方法的参数传给HttpServlet对象。

（6）HttpServlet调用Http Request的相关方法，获取HTTP请求信息。

（7）服务器端根据请求信息调用相关方法，如数据库操作的方法等，获取数据后，HttpServlet调用Http Response的相关方法，生成JSON响应数据。

（8）Servlet容器把HttpServlet的响应结果传送给Android客户端。

（9）Android客户端解析服务器端传送过来的JSON数据，根据数据更新界面。

7.界面与代码结构

本实验模仿App登录功能的实现。在图5.30（a）所示的界面中输入正确的用户名和密码后，跳转到图5.30（b）所示的界面，如果输入的用户名或者密码不正确，则弹出Toast显示“用户名或者密码有误！”。启动应用程序后第一个界面如图5.30（a）所示，对应的代码是图5.30（c）中的Main Activity.java，输入正确的用户名和密码后通过Http Util.java文件中的post（）方法发送请求给服务器端，服务器端收到消息后会根据Servlet文件中的配置执行LoginServlet.java这个类，然后通过JDBCUtils.java获取数据库连接，由User Dao.java执行数据查询，查询的结果返回给LoginServlet.java，封装成User Login Dto对象，最后通过Json Utils.java封装成JSON消息返回给客户端，客户端接收到JSON消息后进行解析，如果解析结果为“success”则跳转到图5.30（b）所示的界面，否则弹出Toast提示信息。客户端和服务器端的代码结构分别如图5.30（c）和图5.30（d）所示。

图5.30　App13界面与代码结构

8.实验步骤

步骤1：在Android Studio中新建一个Android工程并将其命名为App13，根据图5.30（a）和图5.30（b）编写界面部分代码，注册“登录”监听事件。(https://www.xing528.com)

步骤2：在确保MySQL服务已经启动的情况下，登录MySQL数据库。登录后执行以下脚本（注解无须输入）。

若执行以上SQL语句没有报错，则输入“exit”退出。执行完毕后创建了一张表t_users，并且添加了用户名为“Tom”密码为“123456”的一条数据。若执行过程中有报错信息，则根据报错提示信息解决问题。

步骤3：在客户端设置Gson的依赖，并将以下3个jar包复制至app13\libs目录下。由于在模块的build.gradle文件中已经加入了“implementation fileTree（include：[*.jar]，dir：libs）”描述，因此libs目录下的jar包会自动设置为模块的依赖，编译、链接、打包时会自动加载图5.31所示的jar包。

图5.31　客户端需要的jar包

步骤4：创建包路径“cn.edu.android.app13.response”和“cn.edu.android.app13.Util”。右击模块的包路径“cn.edu.android.app13”，在弹出的菜单中依次选择“New”|“Package”，在弹出的对话框中输入“response”，然后以同样的方法创建另一个包路径。

步骤5：在cn.edu.android.app13.response包路径下新建User类，为该类创建4个成员变量，分别表示用户ID、用户名、密码和性别，并创建带有4个参数的构造方法，生成所有成员变量的setter（）和getter（）方法。

步骤6：在cn.edu.android.app13.response包路径下新建UserDto类，在该类中新建两个成员变量，并生成setter（）和getter（）方法，用于解析服务器端发来的JSON消息。

步骤7：在cn.edu.android.app13.Util包路径下新建Json Util类，在该类中增加将对象转换成JSON数据、将数组转换成JSON数据、将JSON数据转换成对象的方法。

步骤8：在cn.edu.android.app13.Util包路径下新建Http Util类，本实验采用Apache Http Client与远程服务器通信，为了简化Http Client的用法，定义了Http Util对get（）方法和post（）方法发送请求的方法并进行了封装，本实验中采用post（）方法，代码如下所示。

步骤9：在Main Activity中获取界面控件，并为“登录”按钮设置触发函数，对应的代码请读者自行完成。

步骤10：该类中需要的全局变量如下所示。

步骤11：Main Activity的“登录”按钮调用login（）方法，在login（）方法中调用Http Util类中的方法发送post请求，并将结果通过Handler更新到Login Activity，Login Activity请读者根据前面讲述的内容自行编写。

步骤12：客户端最后需要在Android Manifest.xml文件中的manifest节点内增加网络访问权限，至此，客户端的设计完成。

步骤13：下面介绍服务器端的代码。首先打开Eclipse新建项目，在Eclipse中依次选择“File”|“new”|“project”，在图5.32（a）所示的界面中选择“Dynamic Web Project”。在接着出现的界面中输入工程名称，如“My Web”，如图5.32（b）所示，单击“Next”进入下一个界面，再次单击“Next”。

图5.32　新建项目（一）

步骤14：在图5.33所示的界面中需要勾选“Generate web.xml deployment descriptor”选项，项目会自动生成web.xml配置文件，单击“Finish”，此工程项目创建完毕。

图5.33　新建项目（二）

步骤15：在该工程内建立LoginServlet类，用于处理客户端发送过来的请求（Request），并且回复一个响应（Response）。该类的包名称为cn.edu.android，并继承HttpServlet类，即在图5.34所示的界面中的“Superclass：”文本框内选择“javax.servlet.http.HttpServlet”。类HttpServlet定义了HTTP下运行的Servlet类所需要的各种方法。

图5.34　新建类

步骤16：在项目中选择“File”|“new”|“Servlet”新建Servlet，即在web.xml文件中创建Servlet和Java类“LoginServlet”的映射关系。在图5.35所示的界面中的“Class name”处单击“Browse…”，并选择LoginServlet，单击“Next”按钮。

步骤17：修改URL映射路径（URL mapping），将默认的LoginServlet修改为Login，如图5.36所示，客户端使用地址“http：//localhost：8080/LoginServlet/Login”进行访问，修改完成后单击“Finish”。打开WebContent目录下的web.xml文件查看确认，该文件比原来多了servlet和servlet-mapping节点，修改完成后web.xml文件的内容如下所示。

图5.35　新建Servlet

图5.36　修改URL mapping

Servlet的执行过程即为根据访问地址的路径信息，找到servlet-mapping中urlpattern对应的servlet-name，对应找到servlet中该servlet-class，从而实例化该Servlet并执行。

注意：如果需要处理多个客户端发来的请求，可以在本步骤中增加其他Servlet，并定义对应的类，在新定义的类中实现业务逻辑的处理。

步骤18：复制图5.37所示的4个jar包至My Web\WebContent\WEB-INF\lib目录下，其中c3p0-0.9.1.2.jar用于连接数据库、创建数据库连接池，mysql-connector-java-8.0.13.jar是MySQL数据库提供的jar包。根据图5.30（d）复制客户端的User Dto.java、User.java、Json Utils.java文件至My Web\src\cn\edu\android目录下，并修改包路径。

图5.37　服务器端需要的jar包

步骤19：在My Web\config目录下新建一个XML文件并将其命名为c3p0-config.xml，该文件用于存储数据库用户名和密码、最大连接数等信息，文件的主要内容如下所示。

步骤20：创建JDBCUtils类。该类使用c3p0数据库连接池创建和关闭数据库连接，该类会读取c3p0-config.xml。

步骤21：创建User Dao.java类。在该类中将调用JDBCUtils类中的connDb（）方法获取数据库连接，并使用该连接对数据库进行操作，使用完成后调用JDBCUtils类中的closeDb（）方法释放数据库连接。为了保证只需要执行一次数据库连接，并防止数据库的多次连接给服务器造成负担，该类采用单例模式返回数据库连接。单例模式的必要条件如下所述。

①私有的构造方法：防止在类外使用new关键字实例化对象。

②私有的成员变量：防止在类外引入这个存放对象的变量。

③公有静态的实例化对象的方法：通过该方法可让用户进行实例化对象的操作。

具体代码如下所示。

步骤22：在LoginServlet.java中增加对客户端的响应代码。该类继承自HttpServlet，创建一个HttpServlet的主要步骤如下所述。

①扩展HttpServlet抽象类。

②覆盖HttpServlet的部分方法，如覆盖doGet（）或doPost（）方法。

③获取HTTP请求信息。通过get Parameter（String para Name）方法获取请求参数。

④生成HTTP响应结果。通过HttpServlet Response对象生成响应结果，它有一个get Writer（）方法，该方法返回一个Print Writer对象，调用该类的void print（String str）方法设置响应消息。

当Android客户端发送请求后，因为在web.xml文件中对LoginServlet进行了注册和声明，当用户发送的URL中匹配到字符串“login”时会调用该类。该类通过对doPost（）方法和doGet（）方法的实现，可以处理客户端发送过来的POST请求和GET请求。从HttpServletRequest中获取参数后，查询数据库，将从数据库中获取的结果封装成JSON消息，通过HttpServlet Response返回给Android客户端。

步骤23：运行服务器端代码和客户端代码，对代码进行测试。

知识拓展：第三方库

在以往的实验中经常要调用第三方库，主要为jar包，事实上Android中常见的第三方库包括：*.so、*.jar、*.aar三种类型。

JAR（Java Archive，Java归档）是与平台无关的文件格式，它允许将若干*.class文件组合成一个压缩文件，JAR文件一般情况下只包含class文件与清单文件，不包含资源文件，如图片等所有res中的文件。

AAR文件是Android库项目的二进制归档文件，可以包含项目所有资源class文件以及res资源。要将某个模块打包成AAR文件，需要新建模块时选择“Android Library”模块类型，如图5.38所示，不要建成Android Project，运行该模块后，Android Studio自动把该模块打包成aar包。

Android中的SO文件是动态链接库，一般来说，SO文件是C或C++语言的内容打包成的库，多用于NDK开发中，例如，底层的硬件调用等情况就需要使用SO文件。SO文件的调用具有以下优点：让开发者最大化利用已有的C和C++代码，达到重用的目的；SO文件是二进制文件，没有解释编译的开销，用SO文件实现的功能比纯Java实现的功能要快；相对于Java代码、二进制代码，SO文件的反编译难度更大，一些核心代码可以考虑放在SO文件中。

图5.38　新建Android Library模块

思考

为了扩展系统功能，如何实现增加一张表或多张表？