通过 tcp 来实现一个简单的 web 服务器

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gaosmile 发布时间：2020-11-17 19:53

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说到 web 服务器想必大多数人首先想到的协议是 http，那么 http 之下则是 tcp，本篇文章将通过 tcp 来实现一个简单的 web 服务器。

本篇文章将着重讲解如何实现，对于 http 与 tcp 的概念本篇将不过多讲解。

一、了解 Socket 及 web 服务工作原理

既然是基于 tcp 实现 web 服务器，很多学习 C 语言的小伙伴可能会很快的想到套接字 socket。socket 是一个较为抽象的通信进程，或者说是主机与主机进行信息交互的一种抽象。socket 可以将数据流送入网络中，也可以接收数据流。

socket 的信息交互与本地文件信息的读取从表面特征上看类似，但其中所存在的编写复杂度是本地 IO 不能比拟的，但却有相似点。在 win 下 socket 的交互交互步骤为：WSAStartup 进行初始化--> socket 创建套接字--> bind 绑定--> listen 监听--> connect 连接--> accept 接收请求--> send/recv 发送或接收数据--> closesocket 关闭 socket--> WSACleanup 最终关闭。

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了解完了一个 socket 的基本步骤后我们了解一下一个基本 web 请求的用户常规操作，操作分为：打开浏览器-->输入资源地址 ip 地址-->得到资源。当目标服务器接收到该操作产生掉请求后，我们可以把服务器的响应流程步骤看为：获得 request 请求-->得到请求关键数据-->获取关键数据-->发送关键数据。服务器的这一步流程是在启动socket 进行监听后才能响应。通过监听得知接收到请求，使用 recv 接收请求数据，从而根据该参数得到进行资源获取，最后通过 send 将数据进行返回。

二、创建sokect完成监听

2.1 WSAStartup初始化

首先在c语言头文件中引入依赖 WinSock2.h：

#include <WinSock2.h>

在第一点中对 socket 的创建步骤已有说明，首先需要完成 socket 的初始化操作，使用函数 WSAStartup，该函数的原型为：

int WSAStartup(
WORD wVersionRequired,
LPWSADATA lpWSAData
);

该函数的参数 wVersionRequired 表示 WinSock2 的版本号；lpWSAData 参数为指向 WSADATA 的指针，WSADATA 结构用于 WSAStartup 初始化后返回的信息。

wVersionRequired 可以使用 MAKEWORD 生成，在这里可以使用版本 1.1 或版本2.2，1.1 只支持 TCP/IP，版本 2.1 则会有更多的支持，在此我们选择版本 1.1。

首先声明一个 WSADATA 结构体：

WSADATA wsaData;

随后传参至初始化函数 WSAStartup 完成初始化：

WSAStartup(MAKEWORD(1, 1), &wsaData)

WSAStartup 若初始化失败则会返回非0值：

if (WSAStartup(MAKEWORD(1, 1), &wsaData) != 0)
{
exit(1);
}

2.2 创建socket 套接字

初始化完毕后开始创建套接字，套接字创建使用函数，函数原型为：

SOCKET WSAAPI socket(
  int af,
  int type,
  int protocol
);

在函数原型中，af 表示 IP 地址类型，使用 PF_INET 表示 IPV4，type 表示使用哪种通信类型，例如 SOCK_STREAM 表示 TCP，protocol 表示传输协议，使用 0 会根据前 2 个参数使用默认值。

int skt = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

创建完 socket 后，若为 -1 表示创建失败，进行判断如下：

if (skt == -1)
{
return -1;
}

2.3 绑定服务器

创建完 socket 后需要对服务器进行绑定，配置端口信息、IP 地址等。首先查看 bind 函数需要哪一些参数，函数原型如下：

int bind(
  SOCKET       socket,
  const sockaddr *addr,
  int          addrlen
);

参数 socket 表示绑定的 socket，传入 socket 即可；addr 为 sockaddr_in 的结构体变量的指针，在 sockaddr_in 结构体变量中配置一些服务器信息；addrlen 为 addr 的大小值。

通过 bind 函数原型得知了我们所需要的数据，接下来创建一个 sockaddr_in 结构体变量用于配置服务器信息：

struct sockaddr_in server_addr;

随后配置地址家族为AF_INET对应TCP/IP：

server_addr.sin_family = AF_INET;

接着配置端口信息：

server_addr.sin_port = htons(8080);

再指定 ip 地址：

server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

ip 地址若不确定可以手动输入，最后使用神器 memset 初始化内存，完整代码如下：

//配置服务器
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
memset(&(server_addr.sin_zero), '\0', 8);

随后使用 bind 函数进行绑定且进行判断是否绑定成功：

//绑定
if (bind(skt, (struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr)) == -1) {
return -1;
}

2.4 listen进行监听

绑定成功后开始对端口进行监听。查看 listen 函数原型：

int listen(
int sockfd,
int backlog
)

函数原型中，参数 sockfd 表示监听的套接字，backlog 为设置内核中的某一些处理（此处不进行深入讲解），直接设置成 10 即可，最大上限为 128。使用监听并且判断是否成功代码为：

if (listen(skt, 10) == -1 ) {
return -1;
}

此阶段完整代码如下：

#include <WinSock2.h>
#include<stdio.h>
int main(){
//初始化
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(1, 1), &wsaData) != 0) {
  exit(1);
}
//socket创建
int skt = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (skt == -1) {
  return -1;
}
//配置服务器
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
memset(&(server_addr.sin_zero), '\0', 8);
//绑定
if (bind(skt, (struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr)) == -1){
  return -1;
}
//监听
if (listen(skt, 10) == -1 ) {
  return -1;
}

printf("Listening ... ...\n");
}

运行代码可得知代码无错误，并且输出 listening：

在这里插入图片描述

2.5 获取请求

监听完成后开始获取请求。受限需要使用 accept 对套接字进行连接，accept 函数原型如下：

int accept(
int sockfd,
struct sockaddr *addr,
socklen_t *addrlen
);

参数 sockfd 为指定的套接字；addr 为指向 struct sockaddr 的指针，一般为客户端地址；addrlen 一般设置为设置为 sizeof(struct sockaddr_in) 即可。代码为：

struct sockaddr_in c_skt;
int s_size=sizeof(struct sockaddr_in);
int access_skt = accept(skt, (struct sockaddr *)&c_skt, &s_size);

接下来开始接受客户端的请求，使用recv函数，函数原型为：

ssize_t recv(
int sockfd,
void *buf,
size_t len,
int flags
)

参数 sockfd 为 accept 建立的通信；buf 为缓存，数据存放的位置；len 为缓存大小；flags 一般设置为0即可：

//获取数据
char buf[1024];
if (recv(access_skt, buf, 1024, 0) == -1) {
exit(1);
}

此时我们再到 accpt 和 recv 外层添加一个循环，使之流程可重复：

while(1){
  //建立连接
  printf("Listening ... ...\n");
  struct sockaddr_in c_skt;
  int s_size=sizeof(struct sockaddr_in);
  int access_skt = accept(skt, (struct sockaddr *)&c_skt, &s_size);

  //获取数据
  char buf[1024];
  if (recv(access_skt, buf, 1024, 0) == -1) {
exit(1);
  }
}

并且可以在浏览器输入 127.0.0.1:8080 将会看到客户端打印了 listening 新建了链接:

9 ]' [0 o& M: w. |
å¾®ä¿¡å¾ç_20201117195144.png

我们添加printf语句可查看客户端请求：

å¾®ä¿¡å¾ç_20201117195147.png

接下来我们对请求头进行对应的操作。

2.6 请求处理层编写

得到请求后开始编写处理层。继续接着代码往下写没有层级，编写一个函数名为 req，该函数接收请求信息与一个建立好的连接为参数：

void req(char* buf, int access_socket)
{
}

然后先在 while 循环中传递需要的值：

req(buf, access_skt);

接着开始编写 req 函数，首先在 req 函数中标记当前目录下：

char arguments[BUFSIZ];
strcpy(arguments, "./");

随后分离出请求与参数：

char command[BUFSIZ];
sscanf(request, "%s%s", command, arguments+2);

接着我们标记一些头元素：

char* extension = "text/html";
char* content_type = "text/plain";
char* body_length = "Content-Length: ";

接着获取请求参数，若获取 index.html，就获取当前路径下的该文件：

FILE* rfile= fopen(arguments, "rb");

获取文件后表示请求 ok，我们先返回一个 200 状态：

char* head = "HTTP/1.1 200 OK\r\n";
int len;
char ctype[30] = "Content-type:text/html\r\n";
len = strlen(head);

接着编写一个发送函数 send_：

int send_(int s, char *buf, int *len)
{
int total;
int bytesleft;
int n;
total=0;
bytesleft=*len;
while(total < *len)
{
  n = send(s, buf+total, bytesleft, 0);
  if (n == -1)
  {
break;
  }
  total += n;
  bytesleft -= n;
}
*len = total;
return n==-1?-1:0;
}

send 函数功能并不难在此不再赘述，就是一个遍历发送的逻辑。随后发送 http 响应与文件类型：

send_(send_to, head, &len);
len = strlen(ctype);
send_(send_to, ctype, &len);

随后获得请求文件的描述，需要添加头文件#include <sys/stat.h>使用fstat，且向已连接的通信发生必要的信息：

//获取文件描述
struct stat statbuf;
char read_buf[1024];
char length_buf[20];
fstat(fileno(rfile), &statbuf);
itoa( statbuf.st_size, length_buf, 10 );
send(client_sock, body_length, strlen(body_length), 0);
send(client_sock, length_buf, strlen(length_buf), 0);

send(client_sock, "\n", 1, 0);
send(client_sock, "\r\n", 2, 0);

最后发送数据：

//·数据发送
char read_buf[1024];
len = fread(read_buf ,1 , statbuf.st_size, rfile);
if (send_(client_sock, read_buf, &len) == -1) {
printf("error!");
}

最后访问地址 http://127.0.0.1:8080/index.html，得到当前目录下 index.html 文件数据，并且在浏览器渲染：

å¾®ä¿¡å¾ç_20201117195150.png

所有代码如下：

#include <WinSock2.h>
#include<stdio.h>
#include <sys/stat.h>

int send_(int s, char *buf, int *len) {
int total;
int bytesleft;
int n;
total=0;
bytesleft=*len;
while(total < *len)
{
  n = send(s, buf+total, bytesleft, 0);
  if (n == -1)
  {
break;
  }
  total += n;
  bytesleft -= n;
}
*len = total;
return n==-1?-1:0;
}

void req(char* request, int client_sock) {
char arguments[BUFSIZ];
strcpy(arguments, "./");

char command[BUFSIZ];
sscanf(request, "%s%s", command, arguments+2);

char* extension = "text/html";
char* content_type = "text/plain";
char* body_length = "Content-Length: ";

FILE* rfile= fopen(arguments, "rb");

char* head = "HTTP/1.1 200 OK\r\n";
int len;
char ctype[30] = "Content-type:text/html\r\n";
len = strlen(head);

send_(client_sock, head, &len);
len = strlen(ctype);
send_(client_sock, ctype, &len);

struct stat statbuf;

char length_buf[20];
fstat(fileno(rfile), &statbuf);
itoa( statbuf.st_size, length_buf, 10 );
send(client_sock, body_length, strlen(body_length), 0);
send(client_sock, length_buf, strlen(length_buf), 0);

send(client_sock, "\n", 1, 0);
send(client_sock, "\r\n", 2, 0);

char read_buf[1024];
len = fread(read_buf ,1 , statbuf.st_size, rfile);
if (send_(client_sock, read_buf, &len) == -1) {
  printf("error!");
}

return;
}

int main(){
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(1, 1), &wsaData) != 0) {
  exit(1);
}

int skt = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (skt == -1) {
  return -1;
}

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
memset(&(server_addr.sin_zero), '\0', 8);

if (bind(skt, (struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr)) == -1) {
  return -1;
}

if (listen(skt, 10) == -1 ) {
  return -1;
}

while(1){

  printf("Listening ... ...\n");
  struct sockaddr_in c_skt;
  int s_size=sizeof(struct sockaddr_in);
  int access_skt = accept(skt, (struct sockaddr *)&c_skt, &s_size);

  char buf[1024];
  if (recv(access_skt, buf, 1024, 0) == -1) {
exit(1);
  }

  req(buf, access_skt);
}

}

小伙伴们可以编写更加灵活的指定资源类型、错误处理等完善这个 demo。