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Tomcat是怎么工作的(2) -- 动手实现山寨版的简单Web Server

2024-07-12 22:16:30   225人阅读

      本文先讲解一下Java web server都是怎么工作的。web server也叫HTTP server——顾名思义它是用HTTP协议和客户端交互的。客户端一般就是各种各样的浏览器了。相信所有朋友都清楚这个基本事实，否则你也不会看到这个系列文章了。

      基于Java的web server必然用到两个极其重要的类：java.net.Socket和java.net.ServerSocket，然后以HTTP消息进行交互。

1. HTTP协议简介(The Hypertext Transfer Protocol)

      HTTP是用于web server和浏览器之间发送、接收数据的基础核心协议——客户端发起请求然后服务端进行响应。它使用应答式TCP连接，默认情况下监听在80端口上。第一版协议是HTTP/0.9，然后又被HTTP/1.0重写了，随后HTTP/1.1又替换掉了HTTP/1.0——当前我们使用的正是HTTP/1.1，它的协议文件叫RFC2616，有兴趣的可以去w3网站上下载回来研究一下，对你理解和掌握HTTP以及整个互联网的核心有着无可替代的作用。接地气的说法就是：明白了RFC2616，你就明白了易筋经和九阳神功，自此之后横行天下无所顾忌。。。

      HTTP里，永远都是客户端主动发起请求，然后服务端才有可能和它建立连接。web server永远不会主动连接或者回调客户端，但是两边都可以直接断开连接。

      总结成一句话就是：服务端永远处于绝对优势地位，客户端你不连我我就绝对不会连你，只有你客户端发起请求了，我服务端才会和你连接，当然，心情不好时我也照样可以不对你的请求做出任何响应。像极了男人追女人的恋爱过程吧。。。

1.1 HTTP请求

      它由以下部分组成：

      第一部分：方式 — URI — 协议/版本号

      第二部分：请求头

      第三部分：实体数据

      典型例如如下：

   1:  POST /baidu.com/小苹果歌词.txt HTTP/1.1
   2:   
   3:  Accept: text/plain; text/html 
   4:  Accept-Language: en-gb 
   5:  Connection: Keep-Alive 
   6:  Host: localhost 
   7:  User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 4.01; Windows 98) 
   8:  Content-Length: 33 
   9:  Content-Type: application/x-www-form-urlencoded 
  10:  Accept-Encoding: gzip, deflate 
  11:   
  12:  lastName=Franks&firstName=Michael
<style></style><style></style>

 

     对应的第一部分就是这段请求信息的第一行，下面再详细讲解下：

     POST /baidu.com/小苹果歌词.txt HTTP/1.1

     这一行的“POST”是请求方式，“/baidu.com/小苹果歌词.txt”是对应的URI，而“HTTP/1.1”就是对应的协议/版本号了。

     HTTP协议定义了很多请求方式，每一个HTTP请求都可以使用其中的一种。HTTP 1.1 支持7种请求类型：GET，POST，HEAD，OPTIONS，PUT，DELETE以及TRACE。一般情况下，我们只用到GET和POST就足够了。

     URI完整的指定了一个网络资源，一般情况下它都是相对于服务器的根目录进行资源定位，你看到的URI才经常以斜杠“/”开头，当然，通常我们只知道URL，URL实际上只是URI的一种而已（细节可研究RFC2396协议）。第一行的协议版本号，顾名思义就是当前使用的是哪版HTTP协议了。

     请求头包含了一些关于客户端环境和请求体的有用信息。例如，它可以指示浏览器使用的语言、请求体的数据长度等等。每一个请求头和请求体之间都通过回车换行符（CRLF）分隔。

     请求头和请求体之间的空白行（CRLF）是HTTP请求格式中不可或缺的一部分，它用于指明请求体数据开始的w位置。甚至在一些网络编程书中，这个空白行（CRLF）直接被当作了HTTP请求标准格式的第四个组成部分。

     在上面那个例子中，请求体的实体数据只有简单的一行，不过实际应用中实体数据往往比较多：

     lastName=Franks&firstName=Michael

     1.2 HTTP响应

     和HTTP请求相似，HTTP响应也由三部分组成：

     第一部分：协议 -- 状态码 --描述

     第二部分：响应头

     第三部分：响应体

     举个例子：

   1:  HTTP/1.1 200 OK 
   2:  Server: Microsoft-IIS/4.0 
   3:  Date: Mon, 5 Jan 2004 13:13:33 GMT 
   4:  Content-Type: text/html 
   5:  Last-Modified: Mon, 5 Jan 2004 13:13:12 GMT 
   6:  Content-Length: 112 
   7:   
   8:  <html> 
   9:  <head> 
  10:      <title>HTTP Response Example</title> 
  11:  </head> 
  12:  <body> 
  13:       Welcome to Brainy Software 
  14:  </body> 
  15:  </html>
 
<style></style>

     响应头第一行和请求头极为相似，它指示了当前使用的协议是HTTP/1.1版本，而且请求成功了（200=成功），一切顺利。
响应头包含的有用信息类似于请求头的。响应体是一段HTML内容，响应头和响应体之间以CRLF分隔。


2. Socket类
      socket是网络连接的一个端点，它赋予应用程序读写网络流的能力。两台电脑通过发送和接收基于连接的字节流来进行交流沟通。若要发消息给另一个程序，你需要知道这个程序socket的ip地址和端口号。在java里，socket指的是java.net.Socket类。


      你可以使用Socket类的诸多构造器中任意一个来创建socket，下面这个构造器接收主机名和端口号作为参数：
      public Socket (java.lang.String host, int port)


      在此，host可以是主机名或者ip地址，端口号就是对应的程序占用的端口。例如，要想连接80端口上的yahoo.com，你需要如下构造方式：
      new Socket("yahoo.com", 80);


      一旦成功创建Socket实例，你就可以用它来发送接收字节流了。要发送字节流，你必须首先调用Socket类的getOutputStream方法获取java.io.OutputStream对象，要发送纯文本的话，我们通常构造一个OutputStream对象返回的java.io.PrintWriter对象。要接收字节流，你就应该调用Socket类的getInputStream方法来获取 java.io.InputStream。


下面就是代码展示了，各位看官请好：

   1:  Socket socket = new Socket("127.0.0.1", "8080"); 
   2:  OutputStream os = socket.getOutputStream(); 
   3:  boolean autoflush = true; 
   4:  PrintWriter out = new PrintWriter( socket.getOutputStream(), autoflush); 
   5:  BufferedReader in = new BufferedReader( new InputStreamReader( socket.getInputstream() )); 
   6:   
   7:  // 向web server发送HTTP请求
   8:  out.println("GET /index.jsp HTTP/1.1"); 
   9:  out.println("Host: localhost:8080");
  10:  out.println("Connection: Close"); 
  11:  out.println(); 
  12:   
  13:  // 读取响应
  14:  boolean loop = true; 
  15:  StringBuffer sb = new StringBuffer(8096); 
  16:  while (loop) { 
  17:      if ( in.ready() ) { 
  18:          int i=0;
  19:          while (i!=-1) { 
  20:              i = in.read(); 
  21:              sb.append((char) i); 
  22:          } 
  23:          loop = false; 
  24:      } 
  25:      Thread.currentThread().sleep(50); 
  26:  } 
  27:   
  28:  // 输出响应内容 
  29:  System.out.println(sb.toString()); 
  30:  socket.close();
<style></style>

 

3. ServerSocket类
      Socket类代表的是客户端Socket，例如IE浏览器、chrome、火狐、safari等发起的连接。如果你想实现一个服务器应用程序，像HTTP server或者FTP server的话，你就必须使用不同的方法了。这是因为服务端根本不知道客户端会发起请求建立连接，它必须永不停歇的等待客户端请求。为此，你必须使用java.net.ServerSocket类，它是服务端socket的实现。


      ServerSocket不同于Socket，服务端的ServerSocket必须一直等着客户端请求的到来。一旦server socket接到连接请求，它必须创建一个Socket实例来处理和客户端的交互。


      要创建server socket，你得用ServerSocket类提供的四个构造器之一。它需要你指明IP地址和server socket要监听的端口号。经典的127.0.0.1意味着server socket将监听本机。server socket监听的IP地址通常也叫绑定地址。另一个重要的属性是backlog，它意味着接入的连接请求超过此数值之后server socket就会拒绝后续请求。


      public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindingAddress);


      值得注意的是，这个构造器的绑定地址必须是java.net.InetAddress类的实例。构造InetAddress对象的简易方法就是调用它的静态方法getByname,并传一个主机名字符创参数，如下所示：
      InetAddress.getByName("127.0.0.1");


      下面这行代码构造了一个ServerSocket，监听本机8080端口，同时backlog为1：
      new ServerSocket(8080, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));


      一旦ServerSocket实例构造完成，它就可以一直监听在绑定地址的对应端口上等待请求的到来，你需要做的就是调用ServerSocket类的accept方法来启动这个监听过程。这个方法只返回何时产生了连接请求并且返回值是一个Sokcet类的实例。然后通过这个Socket可以发送和接收字节流。


4. 动手实现自己的山寨版web server
      这个山寨web server由三个类组成：HttpServer、Request、Response。
      HttpServer的main方法创建一个HttpServer实例并调用它的await方法，顾名思义，这个await方法一直等着请求到来，然后处理请求、发送响应信息到客户端。它会一直等，直到程序终止或停机。
      这个山寨版的server目前只能发送静态资源，它会在控制台显示HTTP请求的字节流，但不能发送任何响应头，比如data、cookie之类的。


4.1 HTTPServer.java

 

   1:  import java.io.File;
   2:  import java.io.IOException;
   3:  import java.io.InputStream;
   4:  import java.io.OutputStream;
   5:  import java.net.InetAddress;
   6:  import java.net.ServerSocket;
   7:  import java.net.Socket;
   8:   
   9:  public class HttpServer {
  10:   
  11:      /**
  12:       * WEB_ROOT is the directory where our HTML and other files reside. For this
  13:       * package, WEB_ROOT is the "webroot" directory under the working directory.
  14:       * The working directory is the location in the file system from where the
  15:       * java command was invoked.
  16:       */
  17:      public static final String WEB_ROOT = System.getProperty("user.dir") + File.separator + "webroot";
  18:   
  19:      // 关机命令
  20:      private static final String SHUTDOWN_COMMAND = "/SHUTDOWN";
  21:   
  22:      // the shutdown command received
  23:      private boolean shutdown = false;
  24:   
  25:      public static void main(String[] args) {
  26:          HttpServer server = new HttpServer();
  27:          server.await();
  28:      }
  29:   
  30:      public void await() {
  31:          ServerSocket serverSocket = null;
  32:          int port = 8080;
  33:          try {
  34:              serverSocket = new ServerSocket(port, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
  35:          } catch(IOException e) {
  36:              e.printStackTrace();
  37:              System.exit(1);
  38:          }
  39:          // 轮询是否有请求进来
  40:          while(!shutdown) {
  41:              Socket socket = null;
  42:              InputStream input = null;
  43:              OutputStream output = null;
  44:              try {
  45:                  socket = serverSocket.accept();
  46:                  input = socket.getInputStream();
  47:                  output = socket.getOutputStream();
  48:                  // create Request object and parse
  49:                  Request request = new Request(input);
  50:                  request.parse();
  51:                  // create Response object
  52:                  Response response = new Response(output);
  53:                  response.setRequest(request);
  54:                  response.sendStaticResource();
  55:                  // Close the socket
  56:                  socket.close();
  57:                  // check if the previous URI is a shutdown command
  58:                  shutdown = request.getUri().equals(SHUTDOWN_COMMAND);
  59:              } catch(Exception e) {
  60:                  e.printStackTrace();
  61:                  continue;
  62:              }
  63:          }
  64:      }
  65:  }
<style></style>

4.2 Request.java

   1:  package ex01.pyrmont;
   2:   
   3:  import java.io.IOException;
   4:  import java.io.InputStream;
   5:   
   6:  public class Request {
   7:   
   8:      private InputStream input;
   9:   
  10:      private String uri;
  11:   
  12:      public Request(InputStream input) {
  13:          this.input = input;
  14:      }
  15:   
  16:      public void parse() {
  17:          // Read a set of characters from the socket
  18:          StringBuffer request = new StringBuffer(2048);
  19:          int i;
  20:          byte[] buffer = new byte[2048];
  21:          try {
  22:              i = input.read(buffer);
  23:          } catch(IOException e) {
  24:              e.printStackTrace();
  25:              i = -1;
  26:          }
  27:          for(int j = 0; j < i; j++) {
  28:              request.append((char)buffer[j]);
  29:          }
  30:          System.out.print(request.toString());
  31:          uri = parseUri(request.toString());
  32:      }
  33:   
  34:      private String parseUri(String requestString) {
  35:          int index1, index2;
  36:          index1 = requestString.indexOf(‘ ‘);
  37:          if(index1 != -1) {
  38:              index2 = requestString.indexOf(‘ ‘, index1 + 1);
  39:              if(index2 > index1)
  40:                  return requestString.substring(index1 + 1, index2);
  41:          }
  42:          return null;
  43:      }
  44:   
  45:      public String getUri() {
  46:          return uri;
  47:      }
  48:  }
  49:   
<style></style>

4.3 Response.java

   1:  package ex01.pyrmont;
   2:   
   3:  import java.io.File;
   4:  import java.io.FileInputStream;
   5:  import java.io.IOException;
   6:  import java.io.OutputStream;
   7:   
   8:  /*
   9:  * HTTP Response = Status-Line (( general-header | response-header |
  10:  * entity-header ) CRLF) CRLF [ message-body ] Status-Line = HTTP-Version SP
  11:  * Status-Code SP Reason-Phrase CRLF
  12:  */
  13:  public class Response {
  14:   
  15:      private static final int BUFFER_SIZE = 1024;
  16:   
  17:      Request request;
  18:   
  19:      OutputStream output;
  20:   
  21:      public Response(OutputStream output) {
  22:          this.output = output;
  23:      }
  24:   
  25:      public void setRequest(Request request) {
  26:          this.request = request;
  27:      }
  28:   
  29:      public void sendStaticResource() throws IOException {
  30:          byte[] bytes = new byte[BUFFER_SIZE];
  31:          FileInputStream fis = null;
  32:          try {
  33:              File file = new File(HttpServer.WEB_ROOT, request.getUri());
  34:              if(file.exists()) {
  35:                  fis = new FileInputStream(file);
  36:                  int ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
  37:                  while(ch != -1) {
  38:                      output.write(bytes, 0, ch);
  39:                      ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
  40:                  }
  41:              } else {
  42:                  // file not found
  43:                  String errorMessage = "HTTP/1.1 404 File Not Found\r\n" + "Content-Type: text/html\r\n" + "Content-Length: 23\r\n" + "\r\n" + "<h1>File Not Found</h1>";
  44:                  output.write(errorMessage.getBytes());
  45:              }
  46:          } catch(Exception e) {
  47:              // thrown if cannot instantiate a File object
  48:              System.out.println(e.toString());
  49:          } finally {
  50:              if(fis != null)
  51:                  fis.close();
  52:          }
  53:      }
  54:  }
  55:   
<style></style>


5. 总结

     本文讲解了web server的基本原理，同时代码贴出来了一个粗糙山寨的web server。它只有三个类构成，当然不是全功能的，不过呢，毕竟刚开始，我们会不断的逐步完善这个web server，到本系列结束时，基本上就有一个完整的web server了。

 

文档信息

  • 译者：张大爷
  • 原文网址：http://www.cnblogs.com/flance/
  • 版权声明：自由转载-非商用-非衍生-保持署名 | Creative Commons BY-NC-ND 3.0


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