06 HTTP（下）

06 HTTP（下）

介绍服务器如何响应请求报文，并将该报文发送给浏览器端。介绍一些基础API，然后结合流程图和代码对服务器响应请求报文进行详解。
基础API部分，介绍stat、mmap、iovec、writev。
流程图部分，描述服务端响应请求报文的逻辑，各模块间的关系。
代码部分，结合代码对服务器响应请求报文进行详解。

基础API

stat

stat函数用于取得指定文件的文件属性，并将文件属性存储在结构体stat里，这里仅对其中用到的成员进行介绍。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>//获取文件属性，存储在statbuf中
int stat(const char *pathname,struct stat *statbuf);struct stat
{mode_t st_mode;  /*文件类型和权限*/off_t st_size; /*文件大小，字节数*/
};

mmap

用于将一个文件或其他对象映射到内存，提高文件的访问速度

void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);
int munmap(void* start,size_t length);
  • start：映射区的开始地址，设置为0时表示由系统决定映射区的起始地址
  • length：映射区的长度
  • prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突
    PROT_READ表示页内容可以被读取
  • flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享
    MAP_PRIVATE建立一个写入时拷贝的私有映射，内存区域的写入不会影响到原文件
  • fd：有效的文件描述符，一般是由opne()函数返回
  • off_t offset：被映射对象内容的起点

iovec

定义了一个向量元素，通常这个结构体用作一个多元素的数组。

struct iovec{void *iov_base;//指向数据的地址size_t iov_len; //数据的长度
};

writev

writev函数用于在一次函数调用中写多个非连续缓冲区，聚集写。

#include <sys/uio.h>
ssize_t writev(int fileds,const struct iovec *iov,int iovcnt);
  • filedes表示文件描述符
  • iov为前述io向量机制结构体iovec
  • iovcnt为结构体的个数

若成功则返回已写的字节数，若出错则返回-1。writev以顺序iov[0]，iov[1]至iov[iovcnt-1]从缓冲区聚集输出数据。writev返回输出的字节总数。通常，它应等于所有缓冲区长度之和。
特别注意：循环调用writev时，需要重新处理iovec中的指针和长度，该函数不会对这个成员做任何处理。writev的返回值为已写的字节数，但这个返回值“实用性”并不高，因为参数传入的是iovec数组，计量单位是iovcnt，而不是字节数，我们仍然需要通过遍历iovec来计算新的地址，另外写入数据的“结束点”可能位于一个iovec的中间某个位置，因此需要调整临界iovec的io_base和io_len。

流程图

浏览器端发出HTTP请求报文，服务器端接收报文并调用process_read对其进行解析，根据解析结果HTTP_CODE，进入相应的逻辑和模块。
其中，服务器子线程完成报文的解析与响应；主线程检测读写事件，调用read_once和http_conn::write完成数据的读取与发送。
在这里插入图片描述

HTTP_CODE含义

表示HTTP请求的处理结果，在头文件中初始化了8种情形，在报文解析与响应中只用到了7种。

NO_REQUEST

  • 请求不完整，需要继续读取请求报文数据
  • 跳转主线程继续监测读事件

GET_REQUEST

  • 获得了完整的HTTP请求
  • 调用do_request完成请求资源映射

NO_RESOURCE

  • 请求资源不存在
  • 跳转process_write完成响应报文

BAD_REQUEST

  • HTTP请求报文有语法错误或请求资源为目录
  • 跳转process_write完成响应报文

FILE_REQUEST

  • 请求资源可以正常访问
  • 跳转process_write完成响应报文

INTERNAL_ERROR

  • 服务器内部错误，该结果在主状态机逻辑switch的default下，一般不会触发

代码分析

do_request

process_read函数的返回值是对请求的文件分析后的结果，一部分是语法错误导致的BAD_REQUEST，一部分是do_request的返回结果。该函数将网站根目录和url文件拼接，然后通过stat判断该文件属性。另外，为了提高访问速度，通过mmap进行映射，将普通文件映射到内存逻辑地址。
为了更好的理解请求资源的访问流程，这里对各种页面跳转机制进行简要介绍。浏览器网址栏中的字符，即url，可以将其抽象成ip:port/xxx/，xxx通过html文件的action属性进行设置。
m_url为请求报文解析出的请求资源，以/开头，也就是/xxx，项目中解析后的m_url有8种情况。

/

  • GET请求，跳转到judge.html，即欢迎访问页面

/0

  • POST请求，跳转到register.html，即注册页面

/1

  • POST请求，跳转到log.thml，即登录页面

/2CGISQL.cgi

  • POST请求，进行登录校验
  • 验证成功跳转到welcome.html，即资源请求成功页面
  • 验证失败跳转到logError.html，即登录失败页面

/3CGISQL.cgi

  • POST请求，进行注册校验
  • 注册成功跳转到log.html，即登录页面
  • 注册失败跳转到registerError.html，即注册失败页面

/5

  • POST请求，跳转到picture.thml，即图片请求页面

/6

  • POST请求，跳转到video.html，即视频请求页面

/7

  • POST请求，跳转到fans.html，即关注页面

具体的登录和注册校验功能会在第12节进行详解。

//网站根目录，文件夹内存放请求的资源和跳转的html文件
const char* doc_root="/home/qgy/github/ini_tinywebserver/root";http_conn::HTTP_CODE http::do_request()
{//将初始化的m_real_file赋值为网站根目录strcpy(m_real_file,doc_root);int len=strlen(doc_root);//找到m_url中/的位置const char *p=strchr(m_url,'/');//实现登录和注册校验if(cgi==1&&(*(p+1)=='2'||*(p+1)=='3')){//根据标志判断是登录校验还是注册校验//同步线程登录校验//CGI多线程登录校验}//如果请求资源为/0，表示跳转注册页面if(*(p+1)=='0'){char *m_url_real=(char *)malloc(sizeof(char)*200);strcpy(m_url_real,"/register.html");//将网站目录和/register.html进行拼接，更新到m_real_file中strncpy(m_real_file+len,m_url_real,strlen(m_url_real));free(m_url_real);}//如果请求资源为/1，表示跳转登录页面if(*(p+1)=='1'){char *m_url_real=(char *)malloc(sizeof(char)*200);strcpy(m_url_real,"/log.html");//将网站目录和/register.html进行拼接，更新到m_real_file中strncpy(m_real_file+len,m_url_real,strlen(m_url_real));free(m_url_real);}else//如果以上均不符合，既不是登录和注册，直接将url与网站目录拼接//这里的情况是welcome界面，请求服务上的一个图片strncpy(m_real_file,m_url,FILENAME_LEN-len-1);//通过stat获取请求资源文件信息，成功则将信息更新到m_file_stat结构体//失败则返回NO_RESOURCE状态，表示资源不存在if(stat(m_real_file,&m_file_stat)<0)return NO_RESOURCE;//判断文件的权限，是否可读，不可读则返回FORBIDDEN_REQUEST状态if(!(m_file_stat.st_mode&S_IROTH))return FORBIDDEN_REQUEST;//判断文件类型，如果是目录，则返回BAD_REQUEST，表示请求报文有误if(S_ISDIR(m_file_stat.st_mode))return BAD_REQUEST;//以只读方式获取文件描述符，通过mmap将该文件映射到内存中int fd=open(m_real_file,O_RDONLY);m_file_address=(char*)mmap(0,m_file_stat.st_size,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,0);//避免文件描述符的浪费和占用close(fd);//表示请求文件存在，且可以访问return FILE_REQUEST;	
}

process_write

根据do_request的返回状态，服务器子线程调用process_write向m_write_buf中写如响应报文。

  • add_status_line函数，添加状态行：http/1.1 状态码 状态消息
  • add_headers函数添加消息报头，内部调用add_content_length和add_linger函数；content-length记录响应报文长度，用于浏览器端判断服务器是否发送完数据；connection记录连接状态，用于告诉浏览器端保持长连接。
  • add_blank_line添加空行

上述涉及的5个函数，均是内部调用add_response函数更新m_write_idx指针和缓冲区m_write_buf中的内容。

bool http_conn::add_response(const char* format,...)
{//如果写入内容超出m_write_buf大小则报错if(m_write_idx>=WRITE_BUFFER_SIZE)return false;//定义可变参数列表va_list arg_list;//将变量arg_list初始化为传入参数va_start(arg_list,format);//将数据format从可变参数列表写入缓冲区写，返回写入数据的长度int len=vsnprintf(m_write_buf+m_write_idx,WRITE_BUFFER_SIZE-1-m_write_idx,format,arg_list);//如果写入的数据长度超过缓冲区剩余空间，则报错if(len>=(WRITE_BUFFER_SIZE-1-m_write_idx)){va_end(arg_list);return false;}//更新m_write_idx位置m_write_idx+=len;//清空可变参列表va_end(arg_list);return true;
}//添加状态行
bool http_conn::add_status_line(int status,const char* title)
{return add_response("%s %d %s\r\n","HTTP/1.1",status,title);
}//添加消息报头，具体的添加文本长度、连接状态和空行
bool http_conn::add_headers(int content_len)
{add_content_length(content_len);add_linger();add_blank_line();
}//添加Content-Length，表示响应报文的长度
bool http_conn::add_content_length(int content_len)
{return add_response("Content-Length:%d\r\n",content_len);
}//添加文本类型，这里是html
bool http_conn::add_content_type()
{return add_response("Content-Type:%s\r\n","text/html");
}//添加连接状态，通知浏览器端是保持连接还是关闭
bool http_conn::add_linger()
{return add_response("Connection:%s\r\n",(m_linger==true)?"keep-alive":"close");
}//添加空行
bool http_conn::add_blank_line()
{return add_response("%s","\r\n");
}//添加文本content
bool http_conn::add_content(const char* content)
{return add_response("%s",content);
}

响应报文分为两种，一种是请求文件的存在，通过io向量机制iovec，声明两个iovec，第一个指向m_write_buf，第二个指向mmap的地址m_file_address；一种是请求出错，这时候只申请一个iovec，指向m_write_buf.

  • iovec是一个结构体，里面有两个元素，指针成员iov_base指向一个缓冲区，这个缓冲区是存放的是write将要发送的数据
  • 成员iov_len表示实际写入的长度
bool http_conn::process_write(HTTP_CODE ret)
{switch(ret){//内部错误，500case INTERNAL_ERROR:{//状态行add_status_line(500,error_500_title);//消息报头add_headers(strlen(error_500_form));if(!add_content(error_500_form))return false;break;}//报文语法有误，404case BAD_REQUEST:{add_status_line(404,error_404_title);add_headers(strlen(error_404_form));if(!add_content(error_404_form))return false;break;}//资源没有访问权限，403case FORBIDDEN_REQUEST:{add_status_line(403,error_403_title);add_header(strlen(error_403_form));if(!add_content(error_403_form))return false;break;}//文件存在，200case FILE_REQUEST:{add_status_line(200,ok_200_title);//如果请求的资源存在if(m_file_stat.st_size!=0){add_headers(m_file_stat.st_size);//第一个iovec指针指向响应报文缓冲区，长度指向m_write_idxm_iv[0].iov_base=m_write_buf;m_iv[0].iov_len=m_write_idx;//第二个iovec指针指向mmap返回的文件指针，长度指向文件大小m_iv[1].iov_base=m_file_address;m_iv[1].iov_len=m_file_stat.st_size;m_iv_count=2;//发送的全部数据为响应报文头部信息和文件大小bytes_to_send=m_write_idx+m_file_stat.st_size;return true;}else{//如果请求的资源大小为0，则返回空白的html文件const char* ok_string="<html><body></body></html>";add_headers(strlen(ok_string));if(!add_content(ok_string))return false;}}default:return false;}//除FILE_REQUEST状态外，其余状态只申请一个iovec，指向响应报文缓冲区m_iv[0].iov_base=m_write_buf;m_iv[0].iob_len=m_write_idx;m_iv_count=1;return true;
}

http_conn::write

服务器子线程调用process_write完成响应报文，随后注册epollout事件。服务器主线程检测写事件，并调用http_conn::write函数将响应报文发送给浏览器端。
该函数具体逻辑如下：
在生成响应报文时初始化byte_to_send，包括头部信息和文件数据大小。通过writev函数循环发送响应报文数据，根据返回值更新byte_have_send和iovec结构体的指针和长度，并判断响应报文整体是否发送成功。

  • 若writev单次发送成功，更新byte_to_send和byte_have_send的大小，若响应报文整体发送成功，则取消mmap映射，并判断是否是长连接。
    长连接重置http类实例，注册读事件，不关闭连接。
    短连接直接关闭连接
  • 若writev单次发送不成功，判断是否是写缓冲区满了
    若不是因为缓冲区满了而失败，取消mmap映射，关闭连接
    若eagain则满了，更新iovec结构体的指针和长度，并注册写事件，等待下一次写事件触发（当写缓冲区从不可写变为可写，触发epollout），因此在此期间无法立即接收到同一用户的下一请求，但可以保证连接的完整性。
bool http_conn::write()
{int temp=0;int newadd=0;//若要发送的数据长度为0//表示响应报文为空，一般不会出现这种情况if(bytes_to_send==0){modfd(m_epollfd,m_sockfd,EPOLLIN);init();return true;}while(1){//将响应报文的状态行、消息体、空行和响应正文发送给浏览器temp=writev(m_sockfd,m_iv,m_iv_count);//正常发送，temp为发送的字节数if(temp>0){//更新已发送字节bytes_have_send+=temp;//偏移文件iovec的指针newadd=bytes_have_send-m_write_idx;}if(temp<=-1){//判断缓冲区是否满了if(errno==EAGAIN){//第一个iovec头部信息的数据已发送完，发送第二个iovec数据if(bytes_have_send>=m_iv[0].iov_len){//不再继续发送头部信息m_iv[0].iov_len=0;m_iv[1].iov_base=m_file_address+newadd;m_iv[1].iov_len=bytes_to_send;}//继续发送第一个iovec头部信息的数据else{m_iv[0].iov_base=m_write_buf+bytes_to_send;m_iv[0].iov_len=m_iv[0].iov_len-bytes_have_send;}//重写注册写事件modfd(m_epollfd,m_sockfd,EPOLLOUT);return true;}如果发送失败，但不是缓冲区问题，取消映射unmap();return false;}//更新需要发送字节数bytes_to_send-=send;//判断条件，数据已全部发送完if(bytes_to_send<=0){unmap();//在epoll树上重置EPOLLIN事件modfd(m_epollfd,m_sockfd,EPOLLIN);//浏览器的请求为长连接if(m_linger){//重新初始化HTTP对象init();return true;}else{return false;}}}
}

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