34|自己动手写高性能HTTP服务器（三）：TCP字节流处理和HTTP协议实现
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你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战第 34 讲，欢迎回来。
这一讲，我们延续第 33 讲的话题，继续解析高性能网络编程框架的字节流处理部分，并为网络编程框架增加 HTTP 相关的功能，在此基础上完成 HTTP 高性能服务器的编写。
buffer 对象
你肯定在各种语言、各种框架里面看到过不同的 buffer 对象，buffer，顾名思义，就是一个缓冲区对象，缓存了从套接字接收来的数据以及需要发往套接字的数据。
如果是从套接字接收来的数据，事件处理回调函数在不断地往 buffer 对象增加数据，同时，应用程序需要不断把 buffer 对象中的数据处理掉，这样，buffer 对象才可以空出新的位置容纳更多的数据。
如果是发往套接字的数据，应用程序不断地往 buffer 对象增加数据，同时，事件处理回调函数不断调用套接字上的发送函数将数据发送出去，减少 buffer 对象中的写入数据。
可见，buffer 对象是同时可以作为输入缓冲（input buffer）和输出缓冲（output buffer）两个方向使用的，只不过，在两种情形下，写入和读出的对象是有区别的。
我在文稿中给出了一张图，描述了 buffer 对象的设计。
下面是 buffer 对象的数据结构。
// 数据缓冲区
struct buffer {
char *data; // 实际缓冲
int readIndex; // 缓冲读取位置
int writeIndex; // 缓冲写入位置
int total_size; // 总大小
};
buffer 对象中的 writeIndex 标识了当前可以写入的位置；readIndex 标识了当前可以读出的数据位置，图中红色部分从 readIndex 到 writeIndex 的区域是需要读出数据的部分，而绿色部分从 writeIndex 到缓存的最尾端则是可以写出的部分。
随着时间的推移，当 readIndex 和 writeIndex 越来越靠近缓冲的尾端时，前面部分的 front_space_size 区域变得会很大，而这个区域的数据已经是旧数据，在这个时候，就需要调整一下整个 buffer 对象的结构，把红色部分往左侧移动，与此同时，绿色部分也会往左侧移动，整个缓冲区的可写部分就会变多了。
make_room 函数就是起这个作用的，如果右边绿色的连续空间不足以容纳新的数据，而最左边灰色部分加上右边绿色部分一起可以容纳下新数据，就会触发这样的移动拷贝，最终红色部分占据了最左边，绿色部分占据了右边，右边绿色的部分成为一个连续的可吸写入空间，就可以容纳下新的数据。下面的一张图解释了这个过程。
下面是 make_room 的具体实现。
void make_room(struct buffer *buffer, int size) {
if (buffer_writeable_size(buffer) >= size) {
return;
}
// 如果 front_spare 和 writeable 的大小加起来可以容纳数据，则把可读数据往前面拷贝
if (buffer_front_spare_size(buffer) + buffer_writeable_size(buffer) >= size) {
int readable = buffer_readable_size(buffer);
int i;
for (i = 0; i < readable; i++) {
memcpy(buffer->data + i, buffer->data + buffer->readIndex + i, 1);
}
buffer->readIndex = 0;
buffer->writeIndex = readable;
} else {
// 扩大缓冲区
void *tmp = realloc(buffer->data, buffer->total_size + size);
if (tmp == NULL) {
return;
}
buffer->data = tmp;
buffer->total_size += size;
}
}
当然，如果红色部分占据过大，可写部分不够，会触发缓冲区的扩大操作。这里我通过调用 realloc 函数来完成缓冲区的扩容。
下面这张图对此做了解释。
套接字接收数据处理
套接字接收数据是在 tcp_connection.c 中的 handle_read 来完成的。在这个函数里，通过调用 buffer_socket_read 函数接收来自套接字的数据流，并将其缓冲到 buffer 对象中。之后你可以看到，我们将 buffer 对象和 tcp_connection 对象传递给应用程序真正的处理函数 messageCallBack 来进行报文的解析工作。这部分的样例在 HTTP 报文解析中会展开。
int handle_read(void *data) {
struct tcp_connection *tcpConnection = (struct tcp_connection *) data;
struct buffer *input_buffer = tcpConnection->input_buffer;
struct channel *channel = tcpConnection->channel;
if (buffer_socket_read(input_buffer, channel->fd) > 0) {
// 应用程序真正读取 Buffer 里的数据
if (tcpConnection->messageCallBack != NULL) {
tcpConnection->messageCallBack(input_buffer, tcpConnection);
}
} else {
handle_connection_closed(tcpConnection);
}
}
在 buffer_socket_read 函数里，调用 readv 往两个缓冲区写入数据，一个是 buffer 对象，另外一个是这里的 additional_buffer，之所以这样做，是担心 buffer 对象没办法容纳下来自套接字的数据流，而且也没有办法触发 buffer 对象的扩容操作。通过使用额外的缓冲，一旦判断出从套接字读取的数据超过了 buffer 对象里的实际最大可写大小，就可以触发 buffer 对象的扩容操作，这里 buffer_append 函数会调用前面介绍的 make_room 函数，完成 buffer 对象的扩容。
int buffer_socket_read(struct buffer *buffer, int fd) {
char additional_buffer[INIT_BUFFER_SIZE];
struct iovec vec[2];
int max_writable = buffer_writeable_size(buffer);
vec[0].iov_base = buffer->data + buffer->writeIndex;
vec[0].iov_len = max_writable;
vec[1].iov_base = additional_buffer;
vec[1].iov_len = sizeof(additional_buffer);
int result = readv(fd, vec, 2);
if (result < 0) {
return -1;
} else if (result <= max_writable) {
buffer->writeIndex += result;
} else {
buffer->writeIndex = buffer->total_size;
buffer_append(buffer, additional_buffer, result - max_writable);
}
return result;
}
套接字发送数据处理
当应用程序需要往套接字发送数据时，即完成了 read-decode-compute-encode 过程后，通过往 buffer 对象里写入 encode 以后的数据，调用 tcp_connection_send_buffer，将 buffer 里的数据通过套接字缓冲区发送出去。
int tcp_connection_send_buffer(struct tcp_connection *tcpConnection, struct buffer *buffer) {
int size = buffer_readable_size(buffer);
int result = tcp_connection_send_data(tcpConnection, buffer->data + buffer->readIndex, size);
buffer->readIndex += size;
return result;
}
如果发现当前 channel 没有注册 WRITE 事件，并且当前 tcp_connection 对应的发送缓冲无数据需要发送，就直接调用 write 函数将数据发送出去。如果这一次发送不完，就将剩余需要发送的数据拷贝到当前 tcp_connection 对应的发送缓冲区中，并向 event_loop 注册 WRITE 事件。这样数据就由框架接管，应用程序释放这部分数据。
// 应用层调用入口
int tcp_connection_send_data(struct tcp_connection *tcpConnection, void *data, int size) {
size_t nwrited = 0;
size_t nleft = size;
int fault = 0;
struct channel *channel = tcpConnection->channel;
struct buffer *output_buffer = tcpConnection->output_buffer;
// 先往套接字尝试发送数据
if (!channel_write_event_registered(channel) && buffer_readable_size(output_buffer) == 0) {
nwrited = write(channel->fd, data, size);
if (nwrited >= 0) {
nleft = nleft - nwrited;
} else {
nwrited = 0;
if (errno != EWOULDBLOCK) {
if (errno == EPIPE || errno == ECONNRESET) {
fault = 1;
}
}
}
}
if (!fault && nleft > 0) {
// 拷贝到 Buffer 中，Buffer 的数据由框架接管
buffer_append(output_buffer, data + nwrited, nleft);
if (!channel_write_event_registered(channel)) {
channel_write_event_add(channel);
}
}
return nwrited;
}
HTTP 协议实现
下面，我们在 TCP 的基础上，加入 HTTP 的功能。
为此，我们首先定义了一个 http_server 结构，这个 http_server 本质上就是一个 TCPServer，只不过暴露给应用程序的回调函数更为简单，只需要看到 http_request 和 http_response 结构。
typedef int (*request_callback)(struct http_request *httpRequest, struct http_response *httpResponse);
struct http_server {
struct TCPserver *tcpServer;
request_callback requestCallback;
};
在 http_server 里面，重点是需要完成报文的解析，将解析的报文转化为 http_request 对象，这件事情是通过 http_onMessage 回调函数来完成的。在 http_onMessage 函数里，调用的是 parse_http_request 完成报文解析。
// buffer 是框架构建好的，并且已经收到部分数据的情况下
// 注意这里可能没有收到全部数据，所以要处理数据不够的情形
int http_onMessage(struct buffer *input, struct tcp_connection *tcpConnection) {
yolanda_msgx(“get message from tcp connection %s”, tcpConnection->name);
struct http_request *httpRequest = (struct http_request *) tcpConnection->request;
struct http_server *httpServer = (struct http_server *) tcpConnection->data;
if (parse_http_request(input, httpRequest) == 0) {
char *error_response = "HTTP/1.1 400 Bad Request\r\n\r\n";
tcp_connection_send_data(tcpConnection, error_response, sizeof(error_response));
tcp_connection_shutdown(tcpConnection);
}
// 处理完了所有的 request 数据，接下来进行编码和发送
if (http_request_current_state(httpRequest) == REQUEST_DONE) {
struct http_response *httpResponse = http_response_new();
//httpServer 暴露的 requestCallback 回调
if (httpServer->requestCallback != NULL) {
httpServer->requestCallback(httpRequest, httpResponse);
}
// 将 httpResponse 发送到套接字发送缓冲区中
struct buffer *buffer = buffer_new();
http_response_encode_buffer(httpResponse, buffer);
tcp_connection_send_buffer(tcpConnection, buffer);
if (http_request_close_connection(httpRequest)) {
tcp_connection_shutdown(tcpConnection);
http_request_reset(httpRequest);
}
}
}
还记得第 16 讲中讲到的 HTTP 协议吗？我们从 16 讲得知，HTTP 通过设置回车符、换行符做为 HTTP 报文协议的边界。
parse_http_request 的思路就是寻找报文的边界，同时记录下当前解析工作所处的状态。根据解析工作的前后顺序，把报文解析的工作分成 REQUEST_STATUS、REQUEST_HEADERS、REQUEST_BODY 和 REQUEST_DONE 四个阶段，每个阶段解析的方法各有不同。
在解析状态行时，先通过定位 CRLF 回车换行符的位置来圈定状态行，进入状态行解析时，再次通过查找空格字符来作为分隔边界。
在解析头部设置时，也是先通过定位 CRLF 回车换行符的位置来圈定一组 key-value 对，再通过查找冒号字符来作为分隔边界。
最后，如果没有找到冒号字符，说明解析头部的工作完成。
parse_http_request 函数完成了 HTTP 报文解析的四个阶段:
int parse_http_request(struct buffer *input, struct http_request *httpRequest) {
int ok = 1;
while (httpRequest->current_state != REQUEST_DONE) {
if (httpRequest->current_state == REQUEST_STATUS) {
char crlf = buffer_find_CRLF(input);
if (crlf) {
int request_line_size = process_status_line(input->data + input->readIndex, crlf, httpRequest);
if (request_line_size) {
input->readIndex += request_line_size; // request line size
input->readIndex += 2; //CRLF size
httpRequest->current_state = REQUEST_HEADERS;
}
}
} else if (httpRequest->current_state == REQUEST_HEADERS) {
char crlf = buffer_find_CRLF(input);
if (crlf) {
/
*
*/
char *start = input->data + input->readIndex;
int request_line_size = crlf - start;
char *colon = memmem(start, request_line_size, “: “, 2);
if (colon != NULL) {
char *key = malloc(colon - start + 1);
strncpy(key, start, colon - start);
key[colon - start] = ‘\0’;
char *value = malloc(crlf - colon - 2 + 1);
strncpy(value, colon + 1, crlf - colon - 2);
value[crlf - colon - 2] = ‘\0’;
http_request_add_header(httpRequest, key, value);
input->readIndex += request_line_size; //request line size
input->readIndex += 2; //CRLF size
} else {
// 读到这里说明：没找到，就说明这个是最后一行
input->readIndex += 2; //CRLF size
httpRequest->current_state = REQUEST_DONE;
}
}
}
}
return ok;
}
处理完了所有的 request 数据，接下来进行编码和发送的工作。为此，创建了一个 http_response 对象，并调用了应用程序提供的编码函数 requestCallback，接下来，创建了一个 buffer 对象，函数 http_response_encode_buffer 用来将 http_response 中的数据，根据 HTTP 协议转换为对应的字节流。
可以看到，http_response_encode_buffer 设置了如 Content-Length 等 http_response 头部，以及 http_response 的 body 部分数据。
void http_response_encode_buffer(struct http_response *httpResponse, struct buffer *output) {
char buf[32];
snprintf(buf, sizeof buf, “HTTP/1.1 %d “, httpResponse->statusCode);
buffer_append_string(output, buf);
buffer_append_string(output, httpResponse->statusMessage);
buffer_append_string(output, “\r\n”);
if (httpResponse->keep_connected) {
buffer_append_string(output, "Connection: close\r\n");
} else {
snprintf(buf, sizeof buf, "Content-Length: %zd\r\n", strlen(httpResponse->body));
buffer_append_string(output, buf);
buffer_append_string(output, "Connection: Keep-Alive\r\n");
}
if (httpResponse->response_headers != NULL && httpResponse->response_headers_number > 0) {
for (int i = 0; i < httpResponse->response_headers_number; i++) {
buffer_append_string(output, httpResponse->response_headers[i].key);
buffer_append_string(output, ": ");
buffer_append_string(output, httpResponse->response_headers[i].value);
buffer_append_string(output, "\r\n");
}
}
buffer_append_string(output, "\r\n");
buffer_append_string(output, httpResponse->body);
}
完整的 HTTP 服务器例子
现在，编写一个 HTTP 服务器例子就变得非常简单。你可以在文稿中，以及 GitHub 仓库中看到这个例子。
在这个例子中，最主要的部分是 onRequest callback 函数，这里，onRequest 方法已经在 parse_http_request 之后，可以根据不同的 http_request 的信息，进行计算和处理。例子程序里的逻辑非常简单，根据 http request 的 URL path，返回了不同的 http_response 类型。比如，当请求为根目录时，返回的是 200 和 HTML 格式。
#include <lib/acceptor.h>
#include <lib/http_server.h>
#include “lib/common.h”
#include “lib/event_loop.h”
// 数据读到 buffer 之后的 callback
int onRequest(struct http_request *httpRequest, struct http_response *httpResponse) {
char *url = httpRequest->url;
char *question = memmem(url, strlen(url), “?”, 1);
char *path = NULL;
if (question != NULL) {
path = malloc(question - url);
strncpy(path, url, question - url);
} else {
path = malloc(strlen(url));
strncpy(path, url, strlen(url));
}
if (strcmp(path, "/") == 0) {
httpResponse->statusCode = OK;
httpResponse->statusMessage = "OK";
httpResponse->contentType = "text/html";
httpResponse->body = "<html><head><title>This is network programming</title></head><body><h1>Hello, network programming</h1></body></html>";
} else if (strcmp(path, "/network") == 0) {
httpResponse->statusCode = OK;
httpResponse->statusMessage = "OK";
httpResponse->contentType = "text/plain";
httpResponse->body = "hello, network programming";
} else {
httpResponse->statusCode = NotFound;
httpResponse->statusMessage = "Not Found";
httpResponse->keep_connected = 1;
}
return 0;
}
int main(int c, char **v) {
// 主线程 event_loop
struct event_loop *eventLoop = event_loop_init();
// 初始 tcp_server，可以指定线程数目，如果线程是 0，就是在这个线程里 acceptor+i/o；如果是 1，有一个 I/O 线程
//tcp_server 自己带一个 event_loop
struct http_server *httpServer = http_server_new(eventLoop, SERV_PORT, onRequest, 2);
http_server_start(httpServer);
// main thread for acceptor
event_loop_run(eventLoop);
}
运行这个程序之后，我们可以通过浏览器和 curl 命令来访问它。你可以同时开启多个浏览器和 curl 命令，这也证明了我们的程序是可以满足高并发需求的。
$curl -v http://127.0.0.1:43211/
- Trying 127.0.0.1…
- TCP_NODELAY set
- Connected to 127.0.0.1 (127.0.0.1) port 43211 (#0)
GET / HTTP/1.1
Host: 127.0.0.1:43211
User-Agent: curl/7.54.0
Accept: /
< HTTP/1.1 200 OK
< Content-Length: 116
< Connection: Keep-Alive
<
- Connection #0 to host 127.0.0.1 left intact
Hello, network programming
%
总结
这一讲我们主要讲述了整个编程框架的字节流处理能力，引入了 buffer 对象，并在此基础上通过增加 HTTP 的特性，包括 http_server、http_request、http_response，完成了 HTTP 高性能服务器的编写。实例程序利用框架提供的能力，编写了一个简单的 HTTP 服务器程序。
思考题
和往常一样，给大家布置两道思考题：
第一道，你可以试着在 HTTP 服务器中增加 MIME 的处理能力，当用户请求 /photo 路径时，返回一张图片。
第二道，在我们的开发中，已经有很多面向对象的设计，你可以仔细研读代码，说说你对这部分的理解。
欢迎你在评论区写下你的思考，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流一下。
文章作者 anonymous
上次更新 2024-05-12