C++後臺實踐：古老的CGI與Web開發

本文寫給C/C++程序猿，也適合其餘對歷史感興趣的程序猿

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        談到web開發，你們首先想到的PHP、JavaEE/JSP、.NET/ASP、Ruby on rails、Python的Django等等。可謂百花齊放，你通常不會想到C++和Web開發有什麼關係，但其實動態網頁的開發（web開發）但是在這些動態網頁語言誕生以前就存在了的。因此C/C++也是能夠作web開發的，它利用的技術是——CGI。

        在天地初開，混沌未分之時，動態網頁語言還沒有出世，要實現動態網站依賴的就是CGI。谷歌/百度一下CGI，可能會出現不少名詞：CGI腳本、CGI程序、CGI標準等等。其實這些都是站在不一樣角度來講的，CGI即Common Gateway Interface的縮寫，直譯爲「通用網關接口」。第一次聽這個名字，我也不知道是個什麼鬼東西。歸根結底 CGI就是一個接口協議。協議就是你們公認的一套標準（叫CGI標準也能夠），好比網絡協議。你們都遵照一套標準，就減小了溝通的難度。進行CGI開發，就是編寫一個CGI可執行程序。其實各類語言均可以編寫CGI，不但Java、Python、PHP、C#……能夠，並且Shell也能夠。固然C和C++也能夠。因爲早期CGI不少是由Perl（腳本語言）開發的，因此CGI程序也稱CGI腳本，其實這個稱呼不必定準確。由於C++編譯出的可執行文件一樣能夠是CGI。

        在PHP和Java大行其道的今天，不少人看來用C++編寫CGI是幾乎淘汰的技術了（其實這到否則，只是比較小衆罷了）。因此若是你對C/C++感興趣或者對歷史感興趣均可以閱讀本文。

一次網頁請求與響應

        在進行網頁瀏覽時，一般就是經過一個URL請求一個網頁，而後服務器返回這個網頁文件給瀏覽器。瀏覽器在本地解析該文件渲染成咱們看到的網頁。然而一般咱們看到的網頁不是靜態網頁，也就是說在服務端是沒有這個網頁文件，它是在網頁請求的時候動態生成的，好比PHP/JSP網頁。依據你請求的參數不一樣，所返回的內容不一樣。

        同理，若是是請求一個CGI程序的時候（ 好比在瀏覽器直接輸入CGI程序的URL，或者提交表單的時候發送給CGI程序），CGI程序負責解析從前端傳遞過來的參數，理解它的意圖而後返回數據，好比返回HTML、XML或JSON等。

WARNNING：Apache默認沒有打開CGI的支持，須要進行CGI的配置。具體方法能夠自行百度。

預備前端知識

        假設你是一個C++程序員，你可能對前端不熟（OK，我也不熟），在接下來的講述以前，你要先掌握一些預備的前端知識（儘可能少講前端），你不須要知道如何渲染出一個美輪美奐的網頁，但你須要知道前、後端如何交互。前端頁面如何發送數據，一個普通的HTML頁面一般的作法，你只需知道以下幾種：

• form表單提交（html原生）
• js操縱下的表單提交
• js經過Ajax請求數據

這裏知講第一種（最簡單的）：

<h1>表單提交</h1>
<form action="/cgi-bin/hello.cgi" method="get">
<table>
	<tr>
		<td>用戶名：</td>
		<td><input name="username"/></td>
	</tr>
		<tr>
		<td>密碼：</td>
		<td><input name="password"/></td>
	</tr>
	<tr>
		<td><input type="submit" value="OK"/></td>
	</tr>
	</table>
</form>

form標籤的action屬性的值表示的就是表單要提交到url，即表單提交之後要跳轉的頁面（Ajax能夠達到無跳轉拉取數據，刷新頁面），這裏action屬性值的是cgi程序的url地址。（WARNNING：/ 對應的是網站根目錄，而不是Linux文件系統根目錄哦）。method屬性表示數據請求方式，有兩種：get和post。不贅述。

        我輸入用戶名jellywang，密碼123456以後，點擊OK按鈕，即向  當前域名/cgi-bin/hello.cgi 的程序序提交了表單，而且攜帶參數username=jellywang。而後頁面會跳轉到這個cgi（就像普通網頁跳轉，瀏覽器地址欄更新同樣）。

        若是是get請求。那麼瀏覽器地址欄的URL看起來像這樣：localhost:/cgi-bin/hello.cgi?username=jelly&password=123456。很顯然這是一種不夠安全的方式，因此咱們還可使用post請求。這樣地址欄就看不到這種提交的參數了。（其實post也不夠安全，不鼓勵直接提交明文密碼的方式，本文僅做示例，安全登陸不上本文重點）

環境變量與CGI處理

        當前端頁面經過get或post方法向cgi程序提交了數據之後，那麼接下來cgi程序該如何解析呢？答案是 環境變量。不管是Linux系統或Windows系統都有環境變量的概念。Linux用戶在配置不少環境的時候，都不得不在系統配置文件中和環境變量打交道。CGI程序便是經過從環境變量中取值來得到參數的。這裏介紹幾個環境變量（更多的請自行百度）：

REQUEST_METHOD	前端頁面數據請求方式：get/post
QUERY_STRING	採用GET時所傳輸的信息
CONTENT_LENGTH	STDIO中的有效信息長度
SCRIPT_NAME	所調用的CGI程序的名字
SERVER_NAME	服務器的IP或名字
SERVER_PORT	主機的端口號

        這些環境變量是從何而來，是誰定義的？是Linux嗎？POSIX嗎？固然不是。這裏就要再次聲明一下CGI是一個接口協議，這些環境變量就是屬於該協議的內容，因此不論你的server所在的操做系統是Linux仍是Windows，也不論你的server是Apache仍是Nginx，這些變量的名稱和含義都是同樣的。實際就是Apache/Nginx在將這些內容填充到環境變量中，而具體填充規範則來自於CGI接口協議。

        在C語言標準中有獲取環境變量值得庫函數——getenv。（頭文件stdlib.h）

//好比
chr* str = NULL;
str = getenv("QUERY_STRING");

        對於get請求，能夠從環境變量QUERY_STRING中取出字符串 username=jelly&password=123456。而後程序本身作字符串的解析操做，解析出參數的key和value。而對於post請求，則是直接經過標註輸入（STDIN）來獲取這個參數字符串，好比使用scanf或cin均可以。

        在解析了請求、進行了相應的邏輯處理以後（好比檢查用戶名密碼是否一致），CGI程序要向前端頁面返回內容，這是經過標準輸出（STDOUT）完成的，好比printf或cout，你能夠返回xml，json，plain text或一個html網頁等等。這一步完成的是就是HTTP的響應過程。因此在返回直接的數據以前，要先輸出HTTP協議的首部。好比，假設你想返回一個html網頁，那麼你首先要輸出：

   cout<<"Content-Type:text/html\n\n"<<endl;

WARNNING：這裏要注意，必定要輸出兩個換行符（\n）。由於HTTP協議的首部和消息實體（如HTML代碼） 之間用空行分割。

        後面直接cout出html代碼（好比輸出你剛纔輸入的用戶名成功登錄）。前端頁面就會收到這些html代碼，而後瀏覽器就渲染成網頁啦。這就是一次CGI完成的動態網頁操做了。 

Cgicc庫

        進行C++的CGI編程，須要手動進行字符串的解析處理，還有自行管理首部。好比資源轉移了，要返回302，而且在首部用Location給出新地址。很顯然，這些東西對於PHP、Python等語言都有內置的解決方案。對於C++就須要第三方庫了。這裏推薦一個GNU的開源庫—— Cgicc。能夠知足經常使用的各種需求，除了解析get/post請求外，還能重定向，還能夠設置Cookie，還能夠上傳文件等等等等。

        美中不足的就是Cgicc庫不支持SESSION。可是這個問題不大，咱們能夠很容易使用Cookie來實現SESSION功能。因爲 CGI自己是請求一次就建立一個進程，返回以後進程就結束（下文的FastCGI除外）。這時要在服務端維持一個SESSION的變量可選的解決方案是：用文件存儲或者在Redis、Memcached等內存數據庫中存儲。而發給客戶端的SESSIONID就用Cgicc已經支持的Cookie功能來完成，就能夠了。

CGI的痛點與FastCGI

        CGI是一種標準，並不限定語言。因此Java、PHP、Python均可以經過這種方式來生成動態網頁。可是實際上這些動態語言卻不多這樣用。原來是CGI有一大硬傷。那就是每次CGI請求，那麼Apache都有啓動一個進程去執行這個CGI程序，即頗具Unix特點的fork-and-execute。當用戶請求量大的時候，這個fork-and-execute的操做會嚴重拖慢Server的進程。而Java的Servlet技術則是一種常駐內存的技術，不會頻繁的發生進程上下文的建立和銷燬操做。

        時勢造英雄，FastCGI技術應運而生。簡單來講，其本質就是一個常駐內存的進程池技術，由調度器負責將傳遞過來的CGI請求發送給處理CGI的handler進程來處理。在一個請求處理完成以後，該處理進程不銷燬，繼續等待下一個請求的到來。FCGI技術一出，CGI又必定程度上煥發了第二春。PHP-FPM自己是使PHP支持FCGI技術的一個Patch，如今已經被歸入PHP標準。固然，支持C++的FCGI技術也出現了，Apache有FCGI的模塊能夠安裝，好比mod_fcgid。

現代CGI的編程範式

        前面咱們知道，CGI能夠直接返回一個html網頁。CGI程序自己也能夠進行各類計算、邏輯處理任務。隨着各種web先後端技術的發展，以及大數據、高併發的Server使用場景愈來愈多。現代的CGI的用法，在發生變化。

        如今，愈來愈多的任務從後端轉移到前端，前端頁面利用豐富的Js技術來進行更多的處理。

1. JS可使用Ajax技術來向後臺CGI發起數據請求。Ajax完成的是不須要刷新整個頁面就能夠加載後端數據（好比從數據庫中取出）。
2. CGI通常再也不用於直接返回html頁面，同時將複雜的計算、IO任務下沉到後端（後端能夠進一步進行路由轉發，實現負載均衡）。使CGI做爲先後端之間的中間層。彼時CGI的職能是完成基本的數據交換：解析前端數據請求，再轉發給對應後端；而後從後端取回數據，給前端返回XML或JSON。
3. 前端JS利用XML/JSON中的數據來進行填充，繪製出豐富的頁面。