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zhourj · 更新于 2020-03-18

手寫 WEB 服務器和 HTTP 協議

本節我們將借助 Socket 實現服務的端口監聽并根據 Http 協議的請求和響應結構，實現一個簡單的 Web 服務器，加深體驗 Web 服務和 Http 協議的原理。

1. Http服務基本要素

1.1 監聽連接

瀏覽器每發起一次請求都需要跟服務端建立連接，服務端要時刻監聽有沒有客戶端連接。傳輸層協議有 TCP/UDP 兩種，實現起來并沒有強制說用哪一種，下面是官方文檔對 Http 連接的說明：

HTTP communication usually takes place over TCP/IP connections. The default port is TCP 80 .

文檔中指明了連接通常用的是 TCP， TCP 不用考慮數據包亂序，丟失這些問題，實現起來更簡單，高效。在代碼層我們可以用 Socket 來實現我們的 TCP 傳輸服務。

1.2 接收數據

Socket 監聽連接，在沒有連接到來之前一直是阻塞在 serverSocket.accept(); 有請求過來就可以運行到下面的代碼，然后可以根據我們的輸入流讀取信息，根據 Http 協議拆開獲取我們要的請求數據。

1.3 返回數據

根據業務處理完獲得返回實體數據，然后遵從 Http 協議格式構造返回的消息報文。瀏覽器獲得到的數據也會根據 Http 協議進行渲染。

2. Http報文格式

Http 協議請求報文的本質就是一堆字符串，只是這堆字符是有格式的，發送方跟接收方都需要按照這個格式來拼接和拆解內容。我們要實現一個 Web 服務，了解這個是最基本的要素。

以下截圖的報文是通過 tcpflow（一款功能強大的、基于命令行的免費開源工具）在 Linux 系統抓包獲取的。

sudo tcpflow -c port 8080

2.1 Request

http-request

request

圖中各種請求首部字段的具體含義/用途，會在下面章節中詳細講解到。

2.2 Response

一般情況下，服務器收到客戶端的請求后，就會有一個 Http 的響應消息，Http 響應也由 4 部分組成，分別是：狀態行、響應頭、空行 和 響應實體。
response

圖中的首部字段和返回內容（響應實體）中間是有一個空行的。

3. 實現

3.1 效果

demo

  • Web 服務端監聽 8090 端口；
  • 本地瀏覽器訪問 8090 頁面顯示 hello tomcat。

3.2 代碼

package com.imooc.mytomcat.tomcat;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * Mytomcat
 *
 * @author zhourj
 * description
 */
public class Mytomcat {
    public static void main(String[] args) {
        Mytomcat server = new Mytomcat();
        server.start();
    }
    private void start(){
        try {
            //開啟一個 Socket 服務端，并監聽 8090 端口
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8090);
            do {
                //阻塞，直到有客戶端連接上，才會執行后面的邏輯
                Socket socket = serverSocket.accept();
                //處理數據
                hander(socket);
            } while (true);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * http response
     *  第一行 協議 返回狀態
     *  第二行 媒體類型 josn/html
     *  第三行 空
     *  內容
     * @param socket
     */
    private void hander(Socket socket) throws IOException {
        //拼接返回的 request 報文
        StringBuilder responseBuilder = new StringBuilder();
        responseBuilder
		        //返回 200 狀態碼，表示請求成功
		        .append("HTTP/1.1 200 \r\n")
		        //告訴請求的客戶端，返回的內容是 text/html 格式的
                .append("Content-Type: text/html\r\n")
                //首部字段和消息實體中間的空行
                .append("\r\n")
                //內容部分
                .append("hello tomcat");
		//獲取客戶端通道的輸出流
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        //往輸出流通道寫消息
        outputStream.write(responseBuilder.toString().getBytes());
        //流是有緩存機制的，寫消息的時候不一定立馬發出去，刷一下才能保證數據發送出去
        outputStream.flush();
        //關閉輸出流通道
        outputStream.close();
    }
}

上面的代碼初學者可以自己模仿著寫一個，相信對 Http 會有很深刻的體驗。代碼中主要是監聽連接，客戶端連接后，根據 Http 協議進行字符串的拼接返回給客戶端，客戶端瀏覽器接收到是標準的 Http 格式就會進行渲染。

4. 小結

這邊的代碼雖然很簡單，但是最核心的 Http 服務雛形已經展示出來了，成熟的 Http 服務可以在這基礎上對以下模塊進行優化：

  • 針對請求事件的 線程 / IO 優化；
  • Servlet 協議支持；
  • 配置獨立管理；
  • Http協議內容完善（比如緩存機制）；
  • 支持虛擬主機配置；
  • 支持代理；
  • rewrite 機制；
  • 安全認證。