Tomcat源碼分析（一）----- 手寫一個web服務器

本文轉載自查看原文 2019-08-08 11:07 1208 Tomcat源碼解析

作為后端開發人員，在實際的工作中我們會非常高頻地使用到web服務器。而tomcat作為web服務器領域中舉足輕重的一個web框架，又是不能不學習和了解的。

tomcat其實是一個web框架，那么其內部是怎么實現的呢？如果不用tomcat我們能自己實現一個web服務器嗎？

首先，tomcat內部的實現是非常復雜的，也有非常多的各類組件，我們在后續章節會深入地了解。
其次，本章我們將自己實現一個web服務器的。

下面我們就自己來實現一個看看。(【注】：參考了《How tomcat works》這本書)

http協議簡介

http是一種協議（超文本傳輸協議），允許web服務器和瀏覽器通過Internet來發送和接受數據，是一種請求/響應協議。http底層使用TCP來進行通信。目前，http已經迭代到了2.x版本，從最初的0.9、1.0、1.1到現在的2.x，每個迭代都加了很多功能。

在http中，始終都是客戶端發起一個請求，服務器接受到請求之后，然后處理邏輯，處理完成之后再發送響應數據，客戶端收到響應數據，然后請求結束。在這個過程中，客戶端和服務器都可以對建立的連接進行中斷操作。比如可以通過瀏覽器的停止按鈕。

http協議-請求

一個http協議的請求包含三部分：

方法 URI 協議/版本
請求的頭部
主體內容

舉個例子

POST /examples/default.jsp HTTP/1.1
Accept: text/plain; text/html
Accept-Language: en-gb
Connection: Keep-Alive
Host: localhost
User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 4.01; Windows 98)
Content-Length: 33
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
Accept-Encoding: gzip, deflate

lastName=Franks&firstName=Michael

數據的第一行包括：方法、URI、協議和版本。在這個例子里，方法為 POST，URI為 /examples/default.jsp，協議為 HTTP/1.1，協議版本號為 1.1。他們之間通過空格來分離。
請求頭部從第二行開始，使用英文冒號（:）來分離鍵和值。
請求頭部和主體內容之間通過空行來分離，例子中的請求體為表單數據。

http協議-響應

類似於http協議的請求，響應也包含三個部分。

協議狀態狀態描述
響應的頭部
主體內容

舉個例子

HTTP/1.1 200 OK
Server: Microsoft-IIS/4.0
Date: Mon, 5 Jan 2004 13:13:33 GMT
Content-Type: text/html
Last-Modified: Mon, 5 Jan 2004 13:13:12 GMT
Content-Length: 112

<html>
<head>
<title>HTTP Response Example</title> </head>
<body>
Welcome to Brainy Software
</body>
</html>

第一行，HTTP/1.1 200 OK表示協議、狀態和狀態描述。
之后表示響應頭部。
響應頭部和主體內容之間使用空行來分離。

Socket

Socket，又叫套接字，是網絡連接的一個端點（end point）。套接字允許應用程序從網絡中讀取和寫入數據。兩個不同計算機的不同進程之間可以通過連接來發送和接受數據。A應用要向B應用發送數據，A應用需要知道B應用所在的IP地址和B應用開放的套接字端口。java里面使用java.net.Socket來表示一個套接字。

java.net.Socket最常用的一個構造方法為：public Socket(String host, int port);，host表示主機名或ip地址，port表示套接字端口。我們來看一個例子：

Socket socket = new Socket("127.0.0.1", "8080");
OutputStream os = socket.getOutputStream(); 
boolean autoflush = true;
PrintWriter out = new PrintWriter( socket.getOutputStream(), autoflush);
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputstream()));

// send an HTTP request to the web server 
out.println("GET /index.jsp HTTP/1.1"); 
out.println("Host: localhost:8080"); 
out.println("Connection: Close");
out.println();

// read the response
boolean loop = true;
StringBuffer sb = new StringBuffer(8096); 
while (loop) {
    if (in.ready()) { 
        int i=0;
        while (i != -1) {
            i = in.read();
            sb.append((char) i); 
        }
        loop = false;
    }
    Thread.currentThread().sleep(50L);
}

這兒通過socket.getOutputStream()來發送數據，使用socket.getInputstream()來讀取數據。

ServerSocket

Socket表示一個客戶端套接字，任何時候如果你想發送或接受數據，都需要構造創建一個Socket。現在假如我們需要一個服務器端的應用程序，我們需要額外考慮更多的東西。因為服務器需要隨時待命，它不清楚什么時候一個客戶端會連接到它。在java里面，我們可以通過 java.net.ServerSocket來表示一個服務器套接字。
ServerSocket和Socket不同，它需要等待來自客戶端的連接。一旦有客戶端和其建立了連接，ServerSocket需要創建一個Socket來和客戶端進行通信。
ServerSocket有很多的構造方法，我們拿其中的一個來舉例子。

public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException;
new ServerSocket(8080, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));

port表示端口
backlog表示隊列的長度
bindAddr表示地址

HttpServer

我們這兒還是看一個例子。

HttpServer表示一個服務器端入口，提供了一個main方法，並一直在8080端口等待，直到客戶端建立一個連接。這時，服務器通過生成一個Socket來對此連接進行處理。

public class HttpServer {

  /** WEB_ROOT is the directory where our HTML and other files reside.
   *  For this package, WEB_ROOT is the "webroot" directory under the working
   *  directory.
   *  The working directory is the location in the file system
   *  from where the java command was invoked.
   */
  public static final String WEB_ROOT =
    System.getProperty("user.dir") + File.separator  + "webroot";

  // shutdown command
  private static final String SHUTDOWN_COMMAND = "/SHUTDOWN";

  // the shutdown command received
  private boolean shutdown = false;

  public static void main(String[] args) {
    HttpServer server = new HttpServer();
    server.await();
  }

  public void await() {
    ServerSocket serverSocket = null;
    int port = 8080;
    try {
      serverSocket =  new ServerSocket(port, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
    }
    catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
      System.exit(1);
    }

    // Loop waiting for a request
    while (!shutdown) {
      Socket socket = null;
      InputStream input = null;
      OutputStream output = null;
      try {
        socket = serverSocket.accept();
        input = socket.getInputStream();
        output = socket.getOutputStream();

        // create Request object and parse
        Request request = new Request(input);
        request.parse();

        // create Response object
        Response response = new Response(output);
        response.setRequest(request);
        response.sendStaticResource();

        // Close the socket
        socket.close();

        //check if the previous URI is a shutdown command
        shutdown = request.getUri().equals(SHUTDOWN_COMMAND);
      }
      catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
        continue;
      }
    }
  }
}

Request對象主要完成幾件事情

解析請求數據
解析uri（請求數據第一行）

public class Request {

  private InputStream input;
  private String uri;

  public Request(InputStream input) {
    this.input = input;
  }

  public void parse() {
    // Read a set of characters from the socket
    StringBuffer request = new StringBuffer(2048);
    int i;
    byte[] buffer = new byte[2048];
    try {
      i = input.read(buffer);
    }
    catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
      i = -1;
    }
    for (int j=0; j<i; j++) {
      request.append((char) buffer[j]);
    }
    System.out.print(request.toString());
    uri = parseUri(request.toString());
  }

  private String parseUri(String requestString) {
    int index1, index2;
    index1 = requestString.indexOf(' ');
    if (index1 != -1) {
      index2 = requestString.indexOf(' ', index1 + 1);
      if (index2 > index1)
        return requestString.substring(index1 + 1, index2);
    }
    return null;
  }

  public String getUri() {
    return uri;
  }

}

Response主要是向客戶端發送文件內容（如果請求的uri指向的文件存在）。

public class Response {

  private static final int BUFFER_SIZE = 1024;
  Request request;
  OutputStream output;

  public Response(OutputStream output) {
    this.output = output;
  }

  public void setRequest(Request request) {
    this.request = request;
  }

  public void sendStaticResource() throws IOException {
    byte[] bytes = new byte[BUFFER_SIZE];
    FileInputStream fis = null;
    try {
      File file = new File(HttpServer.WEB_ROOT, request.getUri());
      if (file.exists()) {
        fis = new FileInputStream(file);
        int ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
        while (ch!=-1) {
          output.write(bytes, 0, ch);
          ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
        }
      }
      else {
        // file not found
        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>";
        output.write(errorMessage.getBytes());
      }
    }
    catch (Exception e) {
      // thrown if cannot instantiate a File object
      System.out.println(e.toString() );
    }
    finally {
      if (fis!=null)
        fis.close();
    }
  }
}

總結

在看了上面的例子之后，我們驚奇地發現，在Java里面實現一個web服務器真容易，代碼也非常簡單和清晰！

既然我們能很簡單地實現web服務器，為啥我們還需要tomcat呢？它又給我們帶來了哪些組件和特性呢，它又是怎么組裝這些組件的呢，后續章節我們將逐層分析。

這是我們后面將要分析的內容，讓我們拭目以待！

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