從零實現一個http服務器

時間  2019-12-05
標籤 實現 一個 http 服務器 欄目 HTTP/TCP 简体版
原文   原文鏈接

我始終以爲，天生的出身很重要，但後天的努力更加劇要，因此現在的不少「科班」每每不如後天努力的「非科班」。因此，咱們須要從新給「專業」和「專家」下一個定義：所謂專業，就是別人搞你不搞，這就是你的「專業」；你和別人同時搞，你比別人搞的好，就是「專家」。javascript

說到http協議和http請求，不少人都知道，可是他們真的「知道」嗎？我面試過不少求職者，一說到http協議，他們能口若懸河，而後我問他http協議的具體格式是啥樣子的？不少人不清楚，不清楚就不清楚吧，他甚至能將http協議的頭扯到html文檔頭部<head>。當我問http GET和POST請求的時候，GET請求是什麼形式通常人均可以答出來，可是POST請求的數據放在哪裏，服務器如何識別和解析這些POST數據，不少人又說不清道不明瞭。當說到http服務器時，不少人離開了apache、Nginx這樣現成的http server以外，本身實現一個http服務器無從下手，若是實際應用場景有須要使用到一些簡單http請求時，使用apache、Nginx這樣重量級的http服務器程序實在勞師動衆，你能夠嘗試本身實現一個簡單的。php

上面提到的問題，若是您不能清晰地回答出來，能夠閱讀一下這篇文章，這篇文章在不只介紹http的格式，同時帶領你們從零實現一個簡單的http服務器程序。html

1、項目背景java

最近不少朋友但願個人flamingo服務器支持http協議，我本身也想作一個微信小程序，小程序經過http協議鏈接經過個人flamingo服務器進行聊天。flamingo是一個開源的即時通信軟件，目前除了服務器端，還有pc端、android端，後面會支持更多的終端。關於flamingo的介紹您能夠參考這裏：https://blog.csdn.net/analogo...，這是我不斷維護一個項目，其最新代碼下載地址是：https://github.com/baloonwj/f...，更新日誌：https://github.com/baloonwj/f...。下面是flamingo的部分截圖：
圖片描述android

2、http協議介紹git

  1. http協議是應用層協議，通常創建在tcp協議的基礎之上（固然你的實現非要基於udp也是能夠的），也就是說http協議的數據收發是經過tcp協議的。
  2. http協議也分爲head和body兩部分，可是咱們通常說的html中的<head>和<body>標記不是http協議的頭和身體，它們都是http協議的body部分。

圖片描述

那麼http協議的頭到底長啥樣子呢？咱們來介紹一下http協議吧。github

http協議的格式以下：web

GET或POST 請求的url路徑（通常是去掉域名的路徑） HTTP協議版本號
字段1名: 字段1值\r\n
字段2名: 字段2值\r\n
      ...
字段n名 : 字段n值\r\n
\r\n
http協議包體內容

也就是說http協議由兩部分組成：包頭和包體，包頭與包體之間使用一個rn分割，因爲http協議包頭的每一行都是以rn結束，因此http協議包頭通常以rnrn結束。面試

舉個例子，好比咱們在瀏覽器中請求http://www.hootina.org/index_...這個網址，這是一個典型的GET方法，瀏覽器組裝的http數據包格式以下：apache

GET /index_2013.php HTTP/1.1\r\n
Host: www.hootina.org\r\n
Connection: keep-alive\r\n
Upgrade-Insecure-Requests: 1\r\n
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/65.0.3325.146 Safari/537.36\r\n
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8\r\n
Accept-Encoding: gzip, deflate\r\n
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en;q=0.8\r\n
\r\n

上面這個請求只有包頭沒有包體，http協議的包體不是必須的，也就是說GET請求通常沒有包體。

若是GET請求帶參數，那麼通常是附加在請求的url後面，參數與參數之間使用&分割，例如請求http://www.hootina.org/index_...，咱們看下這個請求組裝的的http協議包格式：

GET /index_2013.php?param1=value1&param2=value2&param3=value3 HTTP/1.1\r\n
Host: www.hootina.org\r\n
Connection: keep-alive\r\n
Upgrade-Insecure-Requests: 1\r\n
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/65.0.3325.146 Safari/537.36\r\n
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8\r\n
Accept-Encoding: gzip, deflate\r\n
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en;q=0.8\r\n
\r\n

對比一下，你如今知道http協議的GET參數放在協議包的什麼位置了吧。

那麼POST的數據放在什麼位置呢？咱們再12306網站（https://kyfw.12306.cn/otn/log...）中登錄輸入用戶名和密碼：
圖片描述

而後發現瀏覽器以POST方式組裝了http協議包發送了咱們的用戶名、密碼和其餘一些信息，組裝的包格式以下：

POST /passport/web/login HTTP/1.1\r\n
Host: kyfw.12306.cn\r\n
Connection: keep-alive\r\n
Content-Length: 55\r\n
Accept: application/json, text/javascript, */*; q=0.01\r\n
Origin: https://kyfw.12306.cn\r\n
X-Requested-With: XMLHttpRequest\r\n
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/65.0.3325.146 Safari/537.36\r\n
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded; charset=UTF-8\r\n
Referer: https://kyfw.12306.cn/otn/login/init\r\n
Accept-Encoding: gzip, deflate, br\r\n
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en;q=0.8\r\n
Cookie: _passport_session=0b2cc5b86eb74bcc976bfa9dfef3e8a20712; _passport_ct=18d19b0930954d76b8057c732ce4cdcat8137; route=6f50b51faa11b987e576cdb301e545c4; RAIL_EXPIRATION=1526718782244; RAIL_DEVICEID=QuRAhOyIWv9lwWEhkq03x5Yl_livKZxx7gW6_-52oTZQda1c4zmVWxdw5Zk79xSDFHe9LJ57F8luYOFp_yahxDXQAOmEV8U1VgXavacuM2UPCFy3knfn42yTsJM3EYOy-hwpsP-jTb2OXevJj5acf40XsvsPDcM7; BIGipServerpool_passport=300745226.50215.0000; BIGipServerotn=1257243146.38945.0000; BIGipServerpassport=1005060362.50215.0000\r\n
\r\n
username=balloonwj%40qq.com&password=iloveyou&appid=otn

其中username=balloonwj%40qq.com&password=iloveyou&appid=otn就是咱們的POST數據，可是你們須要注意的如下幾種，不要搞錯：

  1. 個人用戶名是balloonwj@qq.com，到POST裏面變成balloonwj%40qq.com，其中%40是@符號的16進制轉碼形式。這個碼錶能夠參考這裏：http://www.w3school.com.cn/ta...

2.這裏有三個變量，分別是username、password和appid，他們之間使用&符號分割，可是請注意的是，這不意味着傳遞多個POST變量時必須使用&符號分割，只不過這裏是瀏覽器html表單（輸入用戶名和密碼的文本框是html表單的一種）分割多個變量採用的默認方式而已。你能夠根據你的需求，來自由定製，只要讓服務器知道你的解析方式便可。好比能夠這麼分割：

方法一：
username=balloonwj%40qq.com|password=iloveyou|appid=otn

方法二：
username:balloonwj%40qq.comrn
password:iloveyourn
appid:otnrn

方法三
username,password,appid=balloonwj%40qq.com,iloveyou,otn
無論怎麼分割，只要你能本身按必定的規則解析出來就能夠了。

不知道你注意到沒有，上面的POST數據放在http包體中，服務器如何解析呢？可能你沒明白個人意思，看下圖：

如上圖所示，因爲http協議是基於tcp協議的，tcp協議是流式協議，包頭部分能夠經過多出的rn來分界，包體部分如何分界呢？這是協議自己要解決的問題。目前通常有兩種方式，第一種方式就是在包頭中有個content-Length字段，這個字段的值的大小標識了POST數據的長度，上圖中55就是數據username=balloonwj%40qq.com&password=iloveyou&appid=otn的長度，服務器收到一個數據包後，先從包頭解析出這個字段的值，再根據這個值去讀取相應長度的做爲http協議的包體數據。還有一個格式叫作http chunked技術（分塊），大體意思是將大包分紅小包，具體的詳情有興趣的讀者能夠自行搜索學習。

3、http客戶端實現

若是您能掌握以上說的http協議，你就能夠本身經過代碼組裝http協議發送http請求了（也是各類開源http庫的作法）。咱們先簡單地介紹一下如何模擬發送http。舉個例子，咱們要請求http://www.hootina.org/index_...，那麼咱們能夠先經過域名獲得ip地址，即經過socket API gethostbyname()獲得www.hootina.org的ip地址，因爲http服務器默認的端口號是80，有了域名和ip地址以後，咱們使用socket API connect()去鏈接服務器，而後根據上面介紹的格式組裝成http協議包，利用socket API send()函數發出去，若是服務器有應答，咱們可使用socket API recv()去接受數據，接下來就是解析數據（先解析包頭和包體）。

4、http服務器實現

咱們這裏簡化一些問題，假設客戶端發送的請求都是GET請求，當客戶端發來http請求以後，咱們拿到http包後就作相應的處理。咱們覺得咱們的flamingo服務器實現一個支持http格式的註冊請求爲例。假設用戶在瀏覽器裏面輸入如下網址，就能夠實現一個註冊功能：

http://120.55.94.78:12345/register.do?p={"username": "13917043329", "nickname": "balloon", "password": "123"}

這裏咱們的http協議使用的是12345端口號而不是默認的80端口。如何偵聽12345端口，這個是很是基礎的知識了，這裏就不介紹了。當咱們收到數據之後：

void HttpSession::OnRead(const std::shared_ptr<TcpConnection>& conn, Buffer* pBuffer, Timestamp receivTime)
{
    //LOG_INFO << "Recv a http request from " << conn->peerAddress().toIpPort();
    
    string inbuf;
    //先把全部數據都取出來
    inbuf.append(pBuffer->peek(), pBuffer->readableBytes());
    //由於一個http包頭的數據至少\r\n\r\n，因此大於4個字符
    //小於等於4個字符，說明數據未收完，退出，等待網絡底層接着收取
    if (inbuf.length() <= 4)
        return;

    //咱們收到的GET請求數據包通常格式以下：
    /*
    GET /register.do?p={%22username%22:%20%2213917043329%22,%20%22nickname%22:%20%22balloon%22,%20%22password%22:%20%22123%22} HTTP/1.1\r\n
    Host: 120.55.94.78:12345\r\n
    Connection: keep-alive\r\n
    Upgrade-Insecure-Requests: 1\r\n
    User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/65.0.3325.146 Safari/537.36\r\n
    Accept-Encoding: gzip, deflate\r\n
    Accept-Language: zh-CN, zh; q=0.9, en; q=0.8\r\n
    \r\n
     */
    //檢查是否以\r\n\r\n結束，若是不是說明包頭不完整，退出
    string end = inbuf.substr(inbuf.length() - 4);
    if (end != "\r\n\r\n")
        return;

    //以\r\n分割每一行
    std::vector<string> lines;
    StringUtil::Split(inbuf, lines, "\r\n");
    if (lines.size() < 1 || lines[0].empty())
    {
        conn->forceClose();
        return;
    }

    std::vector<string> chunk;
    StringUtil::Split(lines[0], chunk, " ");
    //chunk中至少有三個字符串：GET+url+HTTP版本號
    if (chunk.size() < 3)
    {
        conn->forceClose();
        return;
    }

    LOG_INFO << "url: " << chunk[1] << " from " << conn->peerAddress().toIpPort();
    //inbuf = /register.do?p={%22username%22:%20%2213917043329%22,%20%22nickname%22:%20%22balloon%22,%20%22password%22:%20%22123%22}
    std::vector<string> part;
    //經過?分割成先後兩端，前面是url，後面是參數
    StringUtil::Split(chunk[1], part, "?");
    //chunk中至少有三個字符串：GET+url+HTTP版本號
    if (part.size() < 2)
    {
        conn->forceClose();
        return;
    }

    string url = part[0];
    string param = part[1].substr(2);
        
    if (!Process(conn, url, param))
    {
        LOG_ERROR << "handle http request error, from:" << conn->peerAddress().toIpPort() << ", request: " << pBuffer->retrieveAllAsString();
    }

    //短鏈接，處理完關閉鏈接
    conn->forceClose();
}

代碼註釋都寫的很清楚，咱們先利用rn分割獲得每一行，其中第一行的數據是：

GET /register.do?p={%22username%22:%20%2213917043329%22,%20%22nickname%22:%20%22balloon%22,%20%22password%22:%20%22123%22} HTTP/1.1
其中%22是雙引號的url轉碼形式，%20是空格的url轉碼形式，而後咱們根據空格分紅三段，其中第二段就是咱們的網址和參數：

/register.do?p={%22username%22:%20%2213917043329%22,%20%22nickname%22:%20%22balloon%22,%20%22password%22:%20%22123%22}
而後咱們根據網址與參數之間的問號將這個分紅兩段：第一段是網址，第二段是參數：

bool HttpSession::Process(const std::shared_ptr<TcpConnection>& conn, const std::string& url, const std::string& param)
{
    if (url.empty())
        return false;

    if (url == "/register.do")
    {
        OnRegisterResponse(param, conn);
    }
    else if (url == "/login.do")
    {
        OnLoginResponse(param, conn);
    }
    else if (url == "/getfriendlist.do")
    {

    }
    else if (url == "/getgroupmembers.do")
    {

    }
    else
        return false;

    
    return true;
}

而後咱們根據url匹配網址，若是是註冊請求，會走註冊處理邏輯：

void HttpSession::OnRegisterResponse(const std::string& data, const std::shared_ptr<TcpConnection>& conn)
{
    string retData;
    string decodeData;
    URLEncodeUtil::Decode(data, decodeData);
    BussinessLogic::RegisterUser(decodeData, conn, false, retData);
    if (!retData.empty())
    {
        std::string response;
        URLEncodeUtil::Encode(retData, response);
        MakeupResponse(retData, response);
        conn->send(response);

        LOG_INFO << "Response to client: cmd=msg_type_register" << ", data=" << retData << conn->peerAddress().toIpPort();;
    }
}

註冊結果放在retData中，爲了發給客戶端，咱們將結果中的特殊字符如雙引號轉碼，如返回結果是：

{"code":0, "msg":"ok"}
會被轉碼成：

{%22code%22:0,%20%22msg%22:%22ok%22}
而後，將數據組裝成http協議發給客戶端，給客戶端的應答協議與http請求協議有一點點差異，就是將請求的url路徑換成所謂的http響應碼，如200表示應答正常返回、404頁面不存在。應答協議格式以下：

GET或POST 響應碼 HTTP協議版本號
字段1名: 字段1值\r\n
字段2名: 字段2值\r\n
      ...
字段n名 : 字段n值\r\n
\r\n
http協議包體內容

舉個例子如：

HTTP/1.1 200 OK\r\n
Content-Type: text/html\r\n
Content-Length:42\r\n
\r\n
{%22code%22:%200,%20%22msg%22:%20%22ok%22}

注意，包頭中的Content-Length長度必須正好是包體{%22code%22:%200,%20%22msg%22:%20%22ok%22}的長度，這裏是42。這也符合咱們瀏覽器的返回結果：

固然，須要注意的是，咱們通常說http鏈接通常是短鏈接，這裏咱們也實現了這個功能（看上面的代碼：conn->forceClose();），無論一個http請求是否成功，服務器處理後立馬就關閉鏈接。

固然，這裏還有一些沒處理好的地方，若是你仔細觀察上面的代碼就會發現這個問題，就是不知足一個http包頭時的處理，若是某個客戶端（不是使用瀏覽器）經過程序模擬了一個鏈接請求，可是遲遲不發含有rnrn的數據，這路鏈接將會一直佔用。咱們能夠判斷收到的數據長度，防止別有用心的客戶端給咱們的服務器亂髮數據。咱們假定，咱們能處理的最大url長度是2048，若是用戶發送的數據累積不含rnrn，且超過2048個，咱們認爲鏈接非法，將鏈接斷開。代碼修改爲以下形式：

void HttpSession::OnRead(const std::shared_ptr<TcpConnection>& conn, Buffer* pBuffer, Timestamp receivTime)
{
    //LOG_INFO << "Recv a http request from " << conn->peerAddress().toIpPort();
    
    string inbuf;
    //先把全部數據都取出來
    inbuf.append(pBuffer->peek(), pBuffer->readableBytes());
    //由於一個http包頭的數據至少\r\n\r\n，因此大於4個字符
    //小於等於4個字符，說明數據未收完，退出，等待網絡底層接着收取
    if (inbuf.length() <= 4)
        return;

    //咱們收到的GET請求數據包通常格式以下：
    /*
    GET /register.do?p={%22username%22:%20%2213917043329%22,%20%22nickname%22:%20%22balloon%22,%20%22password%22:%20%22123%22} HTTP/1.1\r\n
    Host: 120.55.94.78:12345\r\n
    Connection: keep-alive\r\n
    Upgrade-Insecure-Requests: 1\r\n
    User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/65.0.3325.146 Safari/537.36\r\n
    Accept-Encoding: gzip, deflate\r\n
    Accept-Language: zh-CN, zh; q=0.9, en; q=0.8\r\n
    \r\n
     */
    //檢查是否以\r\n\r\n結束，若是不是說明包頭不完整，退出
    string end = inbuf.substr(inbuf.length() - 4);
    if (end != "\r\n\r\n")
        return;
    //超過2048個字符，且不含\r\n\r\n，咱們認爲是非法請求
    else if (inbuf.length() >= MAX_URL_LENGTH)
    {
        conn->forceClose();
        return;
    }

    //以\r\n分割每一行
    std::vector<string> lines;
    StringUtil::Split(inbuf, lines, "\r\n");
    if (lines.size() < 1 || lines[0].empty())
    {
        conn->forceClose();
        return;
    }

    std::vector<string> chunk;
    StringUtil::Split(lines[0], chunk, " ");
    //chunk中至少有三個字符串：GET+url+HTTP版本號
    if (chunk.size() < 3)
    {
        conn->forceClose();
        return;
    }

    LOG_INFO << "url: " << chunk[1] << " from " << conn->peerAddress().toIpPort();
    //inbuf = /register.do?p={%22username%22:%20%2213917043329%22,%20%22nickname%22:%20%22balloon%22,%20%22password%22:%20%22123%22}
    std::vector<string> part;
    //經過?分割成先後兩端，前面是url，後面是參數
    StringUtil::Split(chunk[1], part, "?");
    //chunk中至少有三個字符串：GET+url+HTTP版本號
    if (part.size() < 2)
    {
        conn->forceClose();
        return;
    }

    string url = part[0];
    string param = part[1].substr(2);
        
    if (!Process(conn, url, param))
    {
        LOG_ERROR << "handle http request error, from:" << conn->peerAddress().toIpPort() << ", request: " << pBuffer->retrieveAllAsString();
    }

    //短鏈接，處理完關閉鏈接
    conn->forceClose();
}

但這隻能解決發送非法數據的狀況，若是一個客戶端連上來不給咱們發任何數據，這段邏輯就無能爲力了。若是不斷有客戶端這麼作，會浪費咱們大量的鏈接資源，因此咱們還須要一個定時器去定時檢測哪些http鏈接超過必定時間內沒給咱們發數據，找到後將鏈接斷開。這又涉及到服務器定時器如何設計了，關於這部分請參考我寫的其餘文章。

限於做者經驗水平有限，文中不免有錯亂之處，歡迎拍磚。另外，關於上面的代碼，能夠去github上下載，地址是：

https://github.com/baloonwj/f...

全文完。

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