使用Java Socket手擼一個http服務器

時間 2019-12-12

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做爲一個java後端，提供http服務能夠說是基本技能之一了，可是你真的瞭解http協議麼？你知道知道如何手擼一個http服務器麼？tomcat的底層是怎麼支持http服務的呢？大名鼎鼎的Servlet又是什麼東西呢，該怎麼使用呢？git

在初學java時，socket編程是逃不掉的一章；雖然在實際業務項目中，使用這個的可能性基本爲0，本篇博文將主要介紹如何使用socket來實現一個簡單的http服務器功能，提供常見的get/post請求支持，並再此過程當中瞭解下http協議github

I. Http服務器從0到1

既然咱們的目標是藉助socket來搭建http服務器，那麼咱們首先須要確認兩點，一是如何使用socket；另外一個則是http協議如何，怎麼解析數據；下面分別進行說明編程

1. socket編程基礎

咱們這裏主要是利用ServerSocket來綁定端口，提供tcp服務，基本使用姿式也比較簡單，通常套路以下json

建立ServerSocket對象，綁定監聽端口
經過accept()方法監聽客戶端請求
鏈接創建後，經過輸入流讀取客戶端發送的請求信息
經過輸出流向客戶端發送鄉音信息
關閉相關資源

對應的僞代碼以下:bootstrap

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port, ip)
serverSocket.accept();
// 接收請求數據
socket.getInputStream();

// 返回數據給請求方
out = socket.getOutputStream()
out.print(xxx)
out.flush();;

// 關閉鏈接
socket.close()

2. http協議

咱們上面的ServerSocket走的是TCP協議，HTTP協議自己是在TCP協議之上的一層，對於咱們建立http服務器而言，最須要關注的無非兩點後端

請求的數據怎麼按照http的協議解析出來
如何按照http協議，返回數據

因此咱們須要知道數據格式的規範了數組

請求消息tomcat

響應消息服務器

上面兩張圖，先有個直觀映象，接下來開始抓重點

不論是請求消息仍是相應消息，均可以劃分爲三部分，這就爲咱們後面的處理簡化了不少

第一行：狀態行
第二行到第一個空行：header（請求頭/相應頭)
剩下全部：正文

3. http服務器設計

接下來開始進入正題，基於socket建立一個http服務器，使用socket基本沒啥太大的問題，咱們須要額外關注如下幾點

對請求數據進行解析
封裝返回結果

a. 請求數據解析

咱們從socket中拿到全部的數據，而後解析爲對應的http請求，咱們先定義個Request對象，內部保存一些基本的HTTP信息，接下來重點就是將socket中的全部數據都撈出來，封裝爲request對象

@Data
public static class Request {
    /**
     * 請求方法 GET/POST/PUT/DELETE/OPTION...
     */
    private String method;
    /**
     * 請求的uri
     */
    private String uri;
    /**
     * http版本
     */
    private String version;

    /**
     * 請求頭
     */
    private Map<String, String> headers;

    /**
     * 請求參數相關
     */
    private String message;
}

根據前面的http協議介紹，解析過程以下，咱們先看請求行的解析過程

請求行，包含三個基本要素：請求方法 + URI + http版本，用空格進行分割，因此解析代碼以下

/**
 * 根據標準的http協議，解析請求行
 *
 * @param reader
 * @param request
 */
private static void decodeRequestLine(BufferedReader reader, Request request) throws IOException {
    String[] strs = StringUtils.split(reader.readLine(), " ");
    assert strs.length == 3;
    request.setMethod(strs[0]);
    request.setUri(strs[1]);
    request.setVersion(strs[2]);
}

請求頭的解析，從第二行，到第一個空白行之間的全部數據，都是請求頭；請求頭的格式也比較清晰，形如 key:value, 具體實現以下

/**
 * 根據標準http協議，解析請求頭
 *
 * @param reader
 * @param request
 * @throws IOException
 */
private static void decodeRequestHeader(BufferedReader reader, Request request) throws IOException {
    Map<String, String> headers = new HashMap<>(16);
    String line = reader.readLine();
    String[] kv;
    while (!"".equals(line)) {
        kv = StringUtils.split(line, ":");
        assert kv.length == 2;
        headers.put(kv[0].trim(), kv[1].trim());
        line = reader.readLine();
    }

    request.setHeaders(headers);
}

最後就是正文的解析了，這一塊須要注意一點，正文可能爲空，也可能有數據；有數據時，咱們要如何把全部的數據都取出來呢？

先看具體實現以下

/**
 * 根據標註http協議，解析正文
 *
 * @param reader
 * @param request
 * @throws IOException
 */
private static void decodeRequestMessage(BufferedReader reader, Request request) throws IOException {
    int contentLen = Integer.parseInt(request.getHeaders().getOrDefault("Content-Length", "0"));
    if (contentLen == 0) {
        // 表示沒有message，直接返回
        // 如get/options請求就沒有message
        return;
    }

    char[] message = new char[contentLen];
    reader.read(message);
    request.setMessage(new String(message));
}

注意下上面個人使用姿式，首先是根據請求頭中的Content-Type的值，來得到正文的數據大小，所以咱們獲取的方式是建立一個這麼大的char[]來讀取流中全部數據，若是咱們的數組比實際的小，則讀不完；若是大，則數組中會有一些空的數據；

最後將上面的幾個解析封裝一下，完成request解析

/**
 * http的請求能夠分爲三部分
 *
 * 第一行爲請求行: 即 方法 + URI + 版本
 * 第二部分到一個空行爲止，表示請求頭
 * 空行
 * 第三部分爲接下來全部的，表示發送的內容,message-body；其長度由請求頭中的 Content-Length 決定
 *
 * 幾個實例以下
 *
 * @param reqStream
 * @return
 */
public static Request parse2request(InputStream reqStream) throws IOException {
    BufferedReader httpReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(reqStream, "UTF-8"));
    Request httpRequest = new Request();
    decodeRequestLine(httpReader, httpRequest);
    decodeRequestHeader(httpReader, httpRequest);
    decodeRequestMessage(httpReader, httpRequest);
    return httpRequest;
}

b. 請求任務HttpTask

每一個請求，單獨分配一個任務來幹這個事情，就是爲了支持併發，對於ServerSocket而言，接收到了一個請求，那就建立一個HttpTask任務來實現http通訊

那麼這個httptask幹啥呢？

從請求中撈數據
響應請求
封裝結果並返回

public class HttpTask implements Runnable {
    private Socket socket;

    public HttpTask(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        if (socket == null) {
            throw new IllegalArgumentException("socket can't be null.");
        }

        try {
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            PrintWriter out = new PrintWriter(outputStream);

            HttpMessageParser.Request httpRequest = HttpMessageParser.parse2request(socket.getInputStream());
            try {
                // 根據請求結果進行響應，省略返回
                String result = ...;
                String httpRes = HttpMessageParser.buildResponse(httpRequest, result);
                out.print(httpRes);
            } catch (Exception e) {
                String httpRes = HttpMessageParser.buildResponse(httpRequest, e.toString());
                out.print(httpRes);
            }
            out.flush();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

對於請求結果的封裝，給一個簡單的進行演示

@Data
public static class Response {
    private String version;
    private int code;
    private String status;

    private Map<String, String> headers;

    private String message;
}

public static String buildResponse(Request request, String response) {
    Response httpResponse = new Response();
    httpResponse.setCode(200);
    httpResponse.setStatus("ok");
    httpResponse.setVersion(request.getVersion());

    Map<String, String> headers = new HashMap<>();
    headers.put("Content-Type", "application/json");
    headers.put("Content-Length", String.valueOf(response.getBytes().length));
    httpResponse.setHeaders(headers);

    httpResponse.setMessage(response);

    StringBuilder builder = new StringBuilder();
    buildResponseLine(httpResponse, builder);
    buildResponseHeaders(httpResponse, builder);
    buildResponseMessage(httpResponse, builder);
    return builder.toString();
}


private static void buildResponseLine(Response response, StringBuilder stringBuilder) {
    stringBuilder.append(response.getVersion()).append(" ").append(response.getCode()).append(" ")
            .append(response.getStatus()).append("\n");
}

private static void buildResponseHeaders(Response response, StringBuilder stringBuilder) {
    for (Map.Entry<String, String> entry : response.getHeaders().entrySet()) {
        stringBuilder.append(entry.getKey()).append(":").append(entry.getValue()).append("\n");
    }
    stringBuilder.append("\n");
}

private static void buildResponseMessage(Response response, StringBuilder stringBuilder) {
    stringBuilder.append(response.getMessage());
}

c. http服務搭建

前面的基本上把該乾的事情都幹了，剩下的就簡單了，建立ServerSocket，綁定端口接收請求，咱們在線程池中跑這個http服務

public class BasicHttpServer {
    private static ExecutorService bootstrapExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
    private static ExecutorService taskExecutor;
    private static int PORT = 8999;

    static void startHttpServer() {
        int nThreads = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
        taskExecutor =
                new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(100),
                        new ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy());

        while (true) {
            try {
                ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT);
                bootstrapExecutor.submit(new ServerThread(serverSocket));
                break;
            } catch (Exception e) {
                try {
                    //重試
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
                } catch (InterruptedException ie) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        }

        bootstrapExecutor.shutdown();
    }

    private static class ServerThread implements Runnable {

        private ServerSocket serverSocket;

        public ServerThread(ServerSocket s) throws IOException {
            this.serverSocket = s;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    Socket socket = this.serverSocket.accept();
                    HttpTask eventTask = new HttpTask(socket);
                    taskExecutor.submit(eventTask);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException ie) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

到這裏，一個基於socket實現的http服務器基本上就搭建完了，接下來就能夠進行測試了

4. 測試

作這個服務器，主要是基於項目 quick-fix 產生的，這個項目主要是爲了解決應用內部服務訪問與數據訂正，咱們在這個項目的基礎上進行測試

一個完成的post請求以下

接下來咱們看下打印出返回頭的狀況

II. 其餘

0. 項目源碼

quick-fix
相關代碼:
- com.git.hui.fix.core.endpoint.BasicHttpServer
- com.git.hui.fix.core.endpoint.HttpMessageParser
- com.git.hui.fix.core.endpoint.HttpTask