Golang Web入門（1）：自頂向下理解Http服務器

摘要

因爲Golang優秀的併發處理，不少公司使用Golang編寫微服務。對於Golang來講，只須要短短几行代碼就能夠實現一個簡單的Http服務器。加上Golang的協程，這個服務器能夠擁有極高的性能。然而，正是由於代碼過於簡單，咱們才應該去研究他的底層實現，作到會用，也知道爲何這麼用。

在本文中，會以自頂向下的方式，從如何使用，到如何實現，一點點的分析Golang中net/http這個包中關於Http服務器的實現方式。內容可能會愈來愈難理解，做者會盡可能把這些源碼講的更清楚一些，但願對各位有所幫助。

1 建立

首先，咱們以怎麼用爲起點。

畢竟，知道了怎麼用，才能一步一步的深刻挖掘爲何這麼用。

先來看第一種最簡單的建立方式（省略了導包）：

func helloWorldHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
	fmt.Fprintf(w, "Hello World !")
}

func main() {
	http.HandleFunc("/", helloWorldHandler)
	http.ListenAndServe(":8000", nil)
}
複製代碼

其實在這一部分中，代碼應該很容易理解。就是先作一個映射，把須要訪問的地址，和訪問後執行的函數，寫在一塊兒。而後再加上監聽的端口，就能夠了。

若是你是一個Java程序員，你應該能發覺這個和Java中的Servlet很類似。也是建立一個個的Servlet，而後註冊。

再來看看第二種建立方式，也同樣省略了導包：

type helloWorldHandler struct {
	content string
}

func (handler *helloWorldHandler) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
	fmt.Fprintf(w, handler.content)
}

func main() {
	http.Handle("/", &helloWorldHandler{content: "Hello World!"})
	http.ListenAndServe(":8000", nil)
}
複製代碼

在這裏，咱們能發現相較於第一種方法，有些許的改動。

咱們定義了一個結構體，而後又給這個結構體編寫了一個方法。根據咱們以前對於接口的概念：要實現一個接口必需要實現這個接口的全部方法。

那麼咱們是否是能夠推測：存在這麼一個接口A，裏面有一個名爲ServeHTTP的方法，而咱們所編寫的這個結構體，他已經實現了這個接口A了，他如今是屬於這個A類型的一個結構體了。

type A interface{
    ServeHTTP()
}
複製代碼

而且，在main函數中關於映射URI和方法的參數部分，須要調用實現了這個接口A的一個對象。

帶着這個問題，咱們能夠繼續往下。

2 註冊

在第一部分，咱們提到了兩種註冊方式，一種是傳入一個函數，一種是傳入一個結構體指針。

http.HandleFunc("/", helloWorldHandler)

http.Handle("/", &helloWorldHandler{content: "Hello World!"})
複製代碼

咱們來看看http包內的源碼：

package http

func HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
	    DefaultServeMux.HandleFunc(pattern, handler)
}

func Handle(pattern string, handler Handler) {
        DefaultServeMux.Handle(pattern, handler) 
}
複製代碼

先看一下這裏的代碼，他們被稱爲註冊函數。

首先研究一下HandleFunc這個函數。在main函數中，調用了這個具備func(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request))簽名的函數，這裏的pattern是string類型的，指的是匹配的URI，這個很容易理解。第二個參數是一個具備func(ResponseWriter, *Request)簽名的函數。

而後咱們繼續看，在這個函數中，調用了這個方法：

func (mux *ServeMux) HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
	if handler == nil {
		panic("http: nil handler")
	}
	mux.Handle(pattern, HandlerFunc(handler))
}
複製代碼

咱們能夠看到，最終是調用了DefaultServeMux對象的Handle方法。

好，先到這裏，咱們再看一看剛剛提到的簽名爲func (pattern string, handler Handler)另一個函數。在這個函數裏面，一樣是調用了DefaultServeMux對象的Handle方法。

也就是說，不管咱們使用哪一種註冊函數，最終調用的都是這個函數：

func (mux *ServeMux) Handle(pattern string, handler Handler)
複製代碼

這裏涉及到了兩種對象，第一是ServeMux對象，第二是Handler對象。

ServeMux對象咱們一會再聊，先聊聊Handler對象。

type Handler interface {
    ServeHTTP(ResponseWriter, *Request)
}
複製代碼

在Golang中，Handler是一種接口類型，只要實現了ServeHTTP這個方法，那個就能夠稱這個結構體是Handler類型的。

注意到，在前面有一行代碼是這樣的：

mux.Handle(pattern, HandlerFunc(handler))
複製代碼

有人可能會想，HandlerFunc func(ResponseWriter, *Request)這個函數，是輸入一個函數，返回一個Handler類型的對象，其實這是不對的。咱們來看看這個函數的源碼：

type HandlerFunc func(ResponseWriter, *Request)

func (f HandlerFunc) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
	f(w, r)
}
複製代碼

咱們能夠發現，這個函數，他是一個結構體類型，並且這個結構體也是實現了ServeHTTP方法的，也就是說，這個結構體也是一個Handler類型。因此，這個方法其實並非輸入一組參數，返回一個Handler類型，而是他自己就是一個Handler類型，能夠直接調用ServeHTTP方法。

這裏比較繞，可是相信當你理解了以後，會感受妙啊。

說完了Handler，咱們再來聊聊ServeMux。先來看看他的結構：

type ServeMux struct {
	mu    sync.RWMutex
	m     map[string]muxEntry
	es    []muxEntry // slice of entries sorted from longest to shortest.
	hosts bool       // whether any patterns contain hostnames
}

type muxEntry struct {
	h       Handler
	pattern string
}
複製代碼

咱們先關注一下這個結構裏面的m字段。這個字段是一個map類型，key是URI，value是muxEntry類型。而這個muxEntry類型，裏面包含了一個Handler和URI。也就是說，經過這個m字段，咱們能夠用URI找到對應的Handler對象。

繼續說回上面提到的func (mux *ServeMux) Handle(pattern string, handler Handler)方法。咱們已經知道了調用這個方法的對象是ServeMux，也知道了這個方法的參數中的Handler是什麼，下面讓咱們來看看這個方法的詳細實現：

func (mux *ServeMux) Handle(pattern string, handler Handler) {
	mux.mu.Lock()
	defer mux.mu.Unlock()

	if pattern == "" {
		panic("http: invalid pattern")
	}
	if handler == nil {
		panic("http: nil handler")
	}
	if _, exist := mux.m[pattern]; exist {
		panic("http: multiple registrations for " + pattern)
	}

	if mux.m == nil {
		mux.m = make(map[string]muxEntry)
	}
	e := muxEntry{h: handler, pattern: pattern}
	mux.m[pattern] = e
	if pattern[len(pattern)-1] == '/' {
		mux.es = appendSorted(mux.es, e)
	}

	if pattern[0] != '/' {
		mux.hosts = true
	}
}
複製代碼

在這個方法中，咱們能夠看到，Handle方法會先判斷傳入的URI和handler是否合法，而後判斷這個URI對應的處理器是否已經註冊，而後將這個URI和handler對應的map寫入ServeMux對象中。

注意，這裏還有一個步驟。若是這個URI是以/結尾的，將會被送入es數組中，按長度排序。至於爲何會這麼作，咱們在後面的內容將會提到。

說完了這些，咱們應該能夠猜到這個ServeMux對象的做用了。他能夠存儲咱們註冊的URI和Handler，以實現當有請求進來的時候，能夠委派給相對應的Handler的功能。

考慮到這個功能，那麼咱們也能夠推斷出，這個ServeMux也是一個Handler，只不過他和其餘的Handler不一樣。其餘的Handler處理的是具體的請求，而這個ServeMux處理的是請求的分配。

因此，ServeMux也實現了ServeHTTP方法，他也是一個Handler。而對於他是怎麼實現ServeHTTP方法的，咱們也在後面的內容提到。

3 監聽

如今，讓咱們來聊聊main函數中的第二行：

http.ListenAndServe(":8000", nil)
複製代碼

按照慣例，咱們來看一看這個方法的實現：

func ListenAndServe(addr string, handler Handler) error {
	server := &Server{Addr: addr, Handler: handler}
	return server.ListenAndServe()
}
複製代碼

這裏的Server，是一個複雜的結構體，裏面包含了設置服務器的不少參數，可是這裏咱們只聊Addr和Handler這兩個屬性。

Addr很容易理解，就是這個服務器所監聽的地址。

Handler是處理器，負責把請求分配給各個對應的handler。在這裏留空，則使用Golang默認的處理器，也就是上文中咱們提到的實現了ServeHTTP方法的ServeMux。

知道了這些，咱們繼續往下看server.ListenAndServe()的實現：

func (srv *Server) ListenAndServe() error {
	if srv.shuttingDown() {
		return ErrServerClosed
	}
	addr := srv.Addr
	if addr == "" {
		addr = ":http"
	}
	ln, err := net.Listen("tcp", addr)
	if err != nil {
		return err
	}
	return srv.Serve(ln)
}
複製代碼

這裏比較重要的有兩行，第一是ln, err := net.Listen("tcp", addr)，也就是說，開始監聽addr這個地址的tcp鏈接。

而後，調用srv.Serve(ln)，咱們來看看代碼（省略部分，只保留與本文有關的邏輯）：

func (srv *Server) Serve(l net.Listener) error {
    ...
    for{
        ...
        c := srv.newConn(rw)
		c.setState(c.rwc, StateNew) // before Serve can return
		go c.serve(connCtx)
    }
}
複製代碼

簡單來說，在這個方法中，有一個死循環，他不斷接收新的鏈接，而後啓動一個協程，處理這個鏈接。咱們來看看c.serve(connCtx)的具體實現：

func (c *conn) serve(ctx context.Context) {
    ...
    serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)
    ...
}
複製代碼

省略其餘全部的細節，最關鍵的就是這一行代碼了，而後咱們再看看這個ServeHTTP方法。注意，這裏的c.server，仍是指的是最開始的那個Server結構體。堅持一下下，立刻就到最關鍵的地方啦：

type serverHandler struct {
	srv *Server
}

func (sh serverHandler) ServeHTTP(rw ResponseWriter, req *Request) {
	handler := sh.srv.Handler
	if handler == nil {
		handler = DefaultServeMux
	}
	if req.RequestURI == "*" && req.Method == "OPTIONS" {
		handler = globalOptionsHandler{}
	}
	handler.ServeHTTP(rw, req)
}
複製代碼

這裏的ServeHTTP方法邏輯很容易看出，若是最開始沒有定義一個全局處理的Handler，則會使用Golang的默認handler：DefaultServeMux。

假設，咱們這裏使用的是DefaultServeMux，執行ServeHTTP方法。說到這裏你是否有印象，咱們在上一個章節裏提到的：

因此，ServeMux也實現了ServeHTTP方法，他也是一個Handler。而對於他是怎麼實現ServeHTTP方法的，咱們也在後面的內容提到。

就是這裏，對於ServeMux來講，他就是一個處理請求分發的Handler。

若是你學過Java，我跟你說他和ServletDispatcher很類似，你應該能理解吧。

4 處理

到了這裏，就是最後一步了，咱們來看看這裏處理請求分發的ServeHTTP方法具體實現：

func (mux *ServeMux) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
	...
	h, _ := mux.Handler(r)
	h.ServeHTTP(w, r)
}
複製代碼

在省去其餘細節以後咱們應該能夠推斷，這個mux.Handler(r)方法返回的h，應該是所請求的URI所對應的Handler。而後，執行這個Handler所對應的ServeHTTP方法。咱們來看看mux.Handler(r)這個方法：

func (mux *ServeMux) Handler(r *Request) (h Handler, pattern string) {
    ...
    host := stripHostPort(r.Host)
	path := cleanPath(r.URL.Path)
	...
	return mux.handler(host, r.URL.Path)
}

func (mux *ServeMux) handler(host, path string) (h Handler, pattern string) {
	mux.mu.RLock()
	defer mux.mu.RUnlock()

	// Host-specific pattern takes precedence over generic ones
	if mux.hosts {
		h, pattern = mux.match(host + path)
	}
	if h == nil {
		h, pattern = mux.match(path)
	}
	if h == nil {
		h, pattern = NotFoundHandler(), ""
	}
	return
}
複製代碼

到了這裏，代碼就變得簡潔明瞭了。重點就是這個mux.match方法，會根據地址，來返回對應的Handler。咱們來看看這個方法：

func (mux *ServeMux) match(path string) (h Handler, pattern string) {
	// Check for exact match first.
	v, ok := mux.m[path]
	if ok {
		return v.h, v.pattern
	}

	// Check for longest valid match.  mux.es contains all patterns
	// that end in / sorted from longest to shortest.
	for _, e := range mux.es {
		if strings.HasPrefix(path, e.pattern) {
			return e.h, e.pattern
		}
	}
	return nil, ""
}
複製代碼

這段代碼也應該很容易理解。若是在ServeMux中存儲了key爲這個URI的路由規則的映射，則直接返回這個URI對應的Handler。

不然，就去匹配es數組。還記得嗎，這個數組是以前註冊路由的時候提到的，若是URI是以/結尾的，就會把這個路由映射添加到es數組中，並由長到短進行排序。

這樣的做用是，能夠優先匹配到最長的URI，以達到近似匹配的時候可以匹配到最合適的路由的目的。

至此，返回對應的Handler，而後執行，就成功的實現了處理相對應的請求了。

寫在最後

首先，謝謝你能看到這裏！

不知道你有沒有理解我所說的內容，但願這篇文章能夠給你一些幫助。

其實寫這篇文章的目的是這樣的，學完了Golang的基礎以後做者準備開始研究Golang Web。可是查找各類資料後發現，並無找到一條很合適的學習路線。而後原本做者打算去直接研究一個框架，如MeeGo，Gin等。可是又考慮到，框架只是用來解決問題的，學會了框架殊不知道基礎內容，有種知其然不知其因此然的感受。

因此，做者打算從Golang的net/http包的源碼開始，慢慢去了解怎麼用原生的Go語言去創建一個HTTP服務器，而後去了解一下怎麼進行緩存，作持久化等，這也是做者思考以後決定的一條學習路線。當可以把這些內容都研究明白以後，再去研究框架，去看這些框架是怎麼解決問題的，可能纔是比較合適的。

固然了，做者也是剛入門。因此，可能會有不少的疏漏。若是在閱讀的過程當中，有哪些解釋不到位，或者理解出現了誤差，也請你留言指正。

再次感謝~

PS：若是有其餘的問題，也能夠在公衆號找到做者。而且，全部文章第一時間會在公衆號更新，歡迎來找做者玩~