[网络协议]自主Web服务器Http_Server

自主web服务器

背景

http协议被广泛使用，从移动端，pc端浏览器，http协议无疑是打开互联网应用窗口的重要协议，http在网络应用层中的地位不可撼动，是能准确区分前后台的重要协议。

目标

在对http协议的理论学习的基础上，从零开始完成web服务器开发，坐拥下三层协议，从技术到应用，让网络难点无处遁形。

描述

采用C/S模型，编写支持中小型应用的http，并结合mysql，理解常见互联网应用行为，做完该项目，你可以从技术上 完全理解从你上网开始，到关闭浏览器的所有操作中的技术细节!

技术特点

• 网络编程（TCP/IP协议, socket流式套接字，http协议）
• 多线程技术
• cgi技术
• 线程池

项目定位

研发岗

• 开发环境 centos 7 ＋ vim/gcc/gdb + C/C++;

项目实现过程

由于我们编写的是HTTP_SERVER，因此我们只需要编写s端，c端我们使用浏览器进行访问即可;

我们需要对**应用层(主要)**和传输层进行代码编写，网络层及一下，会有对应的TCP/IP协议来保证数据的交互;

下图表示短连接下，C端发起请求，S端响应请求，一来一回 之后关闭sock;

创建HttpServer基础框架

先创建一个能接收到浏览器HTTP报文的socket框架;

TcpServer.hpp

这里将TcpServer中的socker，bind，listen进行了封装，用Init启动，同时设计了单例模式，一个HttpServer只需要一个监听listen_sock即可！

#pragma once

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include "Log.hpp"
using std::cout;
using std::endl;
#define BACKLOG 5
enum ERR
{
    SOCK_ERR = 1,
    BIND_ERR,
    LISTEN_ERR,
    USAGE
};
class TcpServer
{
private:
    int port;
    int listen_sock;
    static TcpServer* svr;
private:                             //单例模式
TcpServer(int _port):port(_port)  //私有构造
    {  
    }
    TcpServer(const TcpServer &s) //私有拷贝构造
    {
    }

public:
    static TcpServer *getinstance(int port)//单例模式
    {
        static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
        if (nullptr == svr)
        {
            pthread_mutex_lock(&lock);
            if (nullptr == svr)
            {
                svr = new TcpServer(port);
                svr -> InitServer();//getinstance的时候就搞定了sock bind listen了;
            }
            pthread_mutex_unlock(&lock);
        }
        return svr;
    }

public:
    void InitServer()
    {
        Socket();
        Bind();
        Listen();
         
        LOG(INFO, "TcpServer begin");//日志
    }
    void Socket()
    {
        listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (listen_sock < 0)
        {
            LOG(FATAL, "socket error");
            exit(SOCK_ERR);
        }
        //防止bind error
        int opt = 1;
        setsockopt(listen_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
    }
    void Bind()
    {
        sockaddr_in local;
        bzero(&local, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(port);
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//云服务器这样绑

        if (bind(listen_sock, (sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0)
        {
            LOG(FATAL, "bind error");
            exit(BIND_ERR);
        }
    }
    void Listen()
    {
        if (listen(listen_sock, BACKLOG) < 0)
        {
            LOG(FATAL, "listen error");
            exit(LISTEN_ERR);
        }
    }
    int Sock()
    {
        return listen_sock;
    }
    ~TcpServer()
    {
        if (listen_sock > 0)
            close(listen_sock);
    }
};
//单例
TcpServer *TcpServer::svr = nullptr;

HttpServer.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include "Log.hpp"
#include "TcpServer.hpp"
#include "Protocol.hpp"

#define PORT 8080//默认端口号

class HttpServer
{
private:
    int port;
    bool stop;

public:
    HttpServer(int _port = PORT) : port(_port), stop(false)
    {
    }
    void InitServer()
    {
        // singal(SIGPIPE,SIG_IGN);
    }
    void Loop()//循环监听c端逻辑
    {
        TcpServer *tsvr = TcpServer::getinstance(port); // TcpServer里面就处理了，sock bind listen TcpServer里面就处理了

        LOG(INFO, "Loop Begin");

        while (!stop)
        {

            sockaddr_in peer;
            socklen_t len = sizeof(peer);

            int sock = accept(tsvr->Sock(), (sockaddr *)&peer, &len);
            if (sock < 0)
                continue;

            LOG(INFO, "Get a new link"); //到这里 httpserver整体就能接收新连接了！

            //创建handler线程，将连接的sock甩进去，再loop循环以后的c端链接
            pthread_t tid;
            int *psock = new int(sock);//注意局部变量的传参
            pthread_create(&tid,nullptr,Entrance::HandlerRequest,psock);
            pthread_detach(tid);
        }
    }
    ~HttpServer() {}
};

Log.hpp

建议的日志系统

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>

//日志处理
#define INFO    
#define WARNING  
#define ERROR   
#define FATAL   

#define LOG(level, message) Log(#level, message, __FILE__, __LINE__)//替换下列函数的宏，方便日志的传参

void Log(std::string level, std::string message, std::string file_name, int line)
{
    std::cout << "[" << level << "] " << "[" << time(nullptr) << "] " << "[" << message << "] " << "[" << file_name << "] " << "[" << line << "] " << std::endl;
}

Protocol.hpp

订制一系列的协议，用于才做http报文。构建响应等;

#pragma once

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
using std::cout;
using std::endl;
class Entrance//临时方案
{
public:
    //loop创建的线程执行任务的函数
    static void *HandlerRequest(void *psock)
    {
        int sock = *(int *)psock;
        delete (int *)psock;
        char buff[4022];
        int s = recv(sock, buff, 4022, 0);
        buff[s-1] = '\0';
        cout << "===============begin===============" << endl;
        cout << buff << endl;
        cout << "===============end===============" << endl;

        return nullptr;
    }
};

运行结果

前三行是打印的日志信息，后面是c端浏览器访问我们server的时候发送的报文，我们将它打印出来了;

解析C端发来的HTTP报文

可见，报文都是一行一行的，我们需要按行读取,先来个按行读取的工具！

MSG_PEEK标志位

recv(sock, &c, 1, MSG_PEEK);

我们一般是设置为0，如果设置MSG_PEEK标志位，则仅仅是把tcp缓冲区中的数据拷贝式的读取到buf中，并没有把已读取的数据从tcp缓冲区中移除，相当于peek窥探一下; 这样我们就可以处理的同时，防止破坏下个报文的报头，造成数据报文不完整了;

Util.hpp

工具类Util

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
using std::string;
//工具类
class Util
{
public:
    static int ReadLine(int sock, string &out) //按一行读取报文,返回长度;
    {
        char c = 'X';
        while (c != '\n')
        {
            ssize_t s = recv(sock, &c, 1, 0); //(注意，有的报文以\r\n 或者 \r结尾，统一处理为\n,同时考虑数据粘包问题进行读取！)
            if (s > 0)
            {
                if (c == '\r')
                {
                    recv(sock, &c, 1, MSG_PEEK); //窥探一下
                    if (c == '\n')
                    { //窥探成功！大胆拿走这个\n 放入c中
                        recv(sock, &c, 1, 0);
                    }
                    else
                    { //窥探失败，直接换掉这个\r
                        c = '\n';
                    }
                }
                out += c;
            }
            else if (s == 0)
            {
                return 0;
            }
            else
            { 
                return -1;
            }
        }

        return out.size();
    }
};

用Entrance收到报文测试，然后调用按行读取一次，结果如下(调用一次，读取一行，即便请求行)

构建请求与响应类

Protocol.hpp

//请求类
class HttpRequest
{
public:
    string request_line;           //读取请求行
    vector<string> request_header; //读取请求报头
    string blank;                  //空行分隔符
    string request_body;           //请求报文主体(可能没有)

    //解析完毕之后的结果

    //解析请求行三部分
    string method;
    string uri; // path?args
    string version;

    //解析请求报头
    unordered_map<string, string> header_kv;
    int content_length; //请求body的大小
    string path;        //请求路径
    string suffix;      //后缀 .html  <-> query_string: type/html
    string query_string;

    bool cgi; // cgi技术开关
    int size; //响应的html文件的size大小

public:
    HttpRequest() : content_length(0), cgi(false) {}
    ~HttpRequest() {}
};

//响应类
class HttpResponse
{
public:
    string status_line;                  //状态行
    vector<std::string> response_header; //响应报头
    string blank;                        //空行分隔符
    string response_body;                //响应报文主体(html)

    int status_code;
    int fd;

public:
    HttpResponse() : blank(LINE_END), status_code(OK), fd(-1) {}
    ~HttpResponse() {}
};

上述部分成员后续解析报文详细讲解;

读取,解析请求构建响应

读取请求

读取请求的目的为将整个报文按照一定的格式读入请求类中;

• 请求行放入string request_line
• 请求报头存入vector<string> request_header;
• 空行分隔符放入string blank
• 请求正文(如果有)放入request_body;

//读取请求，分析请求，构建响应
// IO通信
class EndPoint
{
private:
    int sock;
    HttpRequest http_request;
    HttpResponse http_response;
    bool stop;

public:
    EndPoint(int _sock) : sock(_sock), stop(false)
    {
    }

public:
    bool RecvHttpRequestLine() //读取请求行
    {
        auto &line = http_request.request_line;
        if (Util::ReadLine(sock, line) <= 0)
        {
            stop = true;
        }
        else
        {
            line.resize(line.size() - 1); //去掉多余的'\n',塞入日志;
            LOG(INFO, http_request.request_line);
        }

        // cout << "RecvHttpRequestLine: " << stop << endl;
        return stop;
    }
    bool RecvHttpRequestHeader() //读取请求报头 去掉多余的\n
    {

        auto &v = http_request.request_header;
        while (1) //注意 vector[0]没有值的时候只能push_back进去噢  v[0]=？ 会段错误 越界;
        {
            string line;
            if (Util::ReadLine(sock, line) <= 0)
            {
                stop = true;
                break;
            }

            if (line == "\n")
            {
                http_request.blank = line; //空行
                break;
            }
            //正常 k:v \n

            line.resize(line.size() - 1); //去\n
            http_request.request_header.push_back(line);
            LOG(INFO, line);
        }
        return stop;
    }
};

bool IsNeedRecvHttpRequestBody()//判断需不需要读 POST方法+存在contentlength，就要读取body了
     {
        auto& method = http_request.method;
        auto& mp = http_request.header_kv;
        if(method == "POST"){
            if(mp.find("Content-Lenght")!=mp.end()){
                http_request.size = atoi(mp["Content-Lenght"].c_str());//记录一下body的size
                return true;
            }

            return true;
        }
     }
     bool RecvHttpRequestBody()
     {
        if(IsNeedRecvHttpRequestBody()){
            int len = http_request.size;//这里不能&，不然下面循环 原来的size就减没了，为啥这么精确 -->防止粘包
            auto body = http_request.request_body;
            for(int i = 0;i<len;i++){
                char c;
                int s = recv(sock,c,1,0);
                if(s>0){
                    body+=c;
                }
                else{
                    stop = true;
                    break;
                }
            }
           return stop;
     
        }
     }
 bool IsNeedRecvHttpRequestBody() //判断需不需要读 POST方法+存在contentlength，就要读取body了
    {
        auto &method = http_request.method;
        auto &mp = http_request.header_kv;

        if (method == "POST")
        {
            if (mp.find("Content-Length") != mp.end())
            {

                http_request.size = atoi(mp["Content-Length"].c_str()); //记录一下body的size

                return true;
            }

            return false;
        }
        return false;
    }
    bool RecvHttpRequestBody()
    {
        if (IsNeedRecvHttpRequestBody())
        {

            int len = http_request.size; //这里不能&，不然下面循环 原来的size就减没了，为啥这么精确 -->防止粘包
            auto body = http_request.request_body;
            for (int i = 0; i < len; i++)
            {
                char c;
                int s = recv(sock, &c, 1, 0); //流式读取
                if (s > 0)
                {
                    body += c;
                }
                else
                {
                    stop = true;
                    break;
                }
            }
            cout << endl;
            cout << body << endl;

            return stop;
        }
    }

注意正文的读取需要配合后面的parse先解析拿出参数，再判断有没有正文读取;

解析请求

解析请求的过程为将读取的request报文的对应属性和内容存入特定的请求类中;用于后续构建响应直接对照构建;

• 请求行的三个属性提取出来分别放入method，uri，version
• 请求报头数组中的一个个k:v分别提出来进行unordered_map的映射{k,v},方便后续直接查询

Util.hpp添加一个工具函数

  static bool CutString(const std::string &target, std::string &sub1_out, std::string &sub2_out, std::string sep)
     {
        size_t pos = target.find(sep);
        if(pos!=string::npos){
            
            sub1_out = target.substr(0,pos);
            sub2_out = target.substr(pos+sep.size());//": "header以这个分割的,那就得+2！，注意细节，正常的"?"来分割就加1，实现了通用！！
            return true;
        }
        return false;
     }

stringstream类用法

 void ParseHttpRequestLine() //解析请求行，入method，uri，version
    {
        // GET / HTTP/1.1 三部分用" "分隔
        stringstream ss(http_request.request_line);
        ss >> http_request.method >> http_request.uri >> http_request.version;

        auto &method = http_request.method;
        std::transform(method.begin(), method.end(), method.begin(), ::toupper); //将请求方法大小写同一;

        // cout<<http_request.method<<http_request.uri<<http_request.version<<endl;
    }
    void ParseHttpRequestHeader() //解析请求报头,入header_kv;
    {
        auto &mp = http_request.header_kv;
        auto &v = http_request.request_header;
        for (auto &e : v)
        {
            //"k:v"->mp(k,v)
            string k, v;
            Util::CutString(e, k, v, ":");
            mp[k] = v;
        }
        // for(auto&e:mp){
        //     cout<<e.first<<":"<<e.second<<endl;
        // }
    }

构建响应

响应格式

stat系统函数

#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int stat(const char *path, struct stat *buf);//Linux获取文件信息的系统接口
//参数1：文件路径
//参数2：stat st;&st    将特定目录下文件的信息保存在st中;
//返回值：成功返回0，失败返回-1；

其中st_mode有：

static string Code2Desc(int code)//状态码->状态描述
{
    std::string desc;
    switch (code)
    {
    case 200:
        desc = "OK";
        break;
    case 404:
        desc = "Not Found";
        break;
    default:
        break;
    }
    return desc;
}

static std::string Suffix2Desc(const std::string &suffix)//后缀->Content-Type
{
    static std::unordered_map<std::string, std::string> suffix2desc = {
        {".html", "text/html"},
        {".css", "text/css"},
        {".js", "application/javascript"},
        {".jpg", "application/x-jpg"},
        {".xml", "application/xml"},
    };

    auto iter = suffix2desc.find(suffix);
    if (iter != suffix2desc.end())
    {
        return iter->second;
    }
    return "text/html"; //默认返回html的type
}

void BuildHttpResponse()
    {
        struct stat st;
        int size;
        ssize_t rfound;
        string _path; // temp
        auto &status_code = http_response.status_code;
        auto &method = http_request.method;
        if (method != "GET" && method != "POST")
        {
            //非法method

            status_code = BAD_REQUEST;
            LOG(WARNING, "method error!");
            goto END;
        }

        //构建请求路径path 和 请求文件大小size;
        if (method == "GET")
        {
            if (http_request.uri.find("?") != string::npos)                                           // get 带参// 引入cgi
            {                                                                                         // GET:  path? content=...参数
                Util::CutString(http_request.uri, http_request.path, http_request.query_string, "?"); //构建path路径
                http_request.cgi = true;                                                              //有参数 引入cgi
            }
            else
            {
                http_request.path = http_request.uri;
            }
        }
        else if (method == "POST") // cgi
        {
            http_request.path = http_request.uri;
            http_request.cgi = true;
        }
        else
        {
            // DO Noting
        }

        //请求路径 我们上层得套wwwroot，index.html等默认
        _path = http_request.path;
        http_request.path = WEB_ROOT;
        http_request.path += _path;

        //如果路径末尾为'/' 意味着是个目录，我们需要套上index.html
        if (http_request.path.find('/') == http_request.path.size() - 1)
        {
            http_request.path += HOME_PAGE;
        }

        //判断文件存在？存在属性保存进st

        if (stat(http_request.path.c_str(), &st) == 0)
        {
            if (S_ISDIR(st.st_mode))
            {
                //是个目录不是html文件，特殊处理到默认
                http_request.path += '/';
                http_request.path += HOME_PAGE;
                stat(http_request.path.c_str(), &st); //更新path文件的信息
            }
            if ((st.st_mode & S_IXUSR) || (st.st_mode & S_IXGRP) || (st.st_mode & S_IXOTH))
            {
                //是个可执行程序！不是html
                http_request.cgi = true; //特殊处理cgi
            }
            size = st.st_size;
        }
        else
        { //说明资源是不存在的
            LOG(WARNING, http_request.path + "Not Found!");
            status_code = NOT_FOUND;
            goto END;
        }
        //构建suffix后缀
        rfound = http_request.path.rfind("."); //构建suffix:<-->type映射;
        if (rfound == string::npos)
        { //没有.后缀 //suffix 默认 .html
            http_request.suffix = ".html";
        }
        else
        {
            http_request.suffix = http_request.path.substr(rfound); //.xxx 文件类型
        }

        // cgi处理还是Noncgi处理？
        if (http_request.cgi)
        {
            // status_code = ProcessCgi(); //执行目标程序，拿到结果:http_response.response_body;
        }
        else
        {
            // 1. 目标网页一定是存在的
            // 2. 返回并不是单单返回网页，而是要构建HTTP响应！全套!

            status_code = ProcessNonCgi(size); //简单的网页返回，返回静态网页,只需要打开即可
        }

    END:

        return;
        BuildHttpResponseHelper(); //状态行填充了，响应报头也有了， 空行也有了，正文有了
    }

int ProcessNonCgi(int size)//非cgi的静态网页响应
    {
        //这里一定有目的path了，构建response

        http_response.fd = open(http_request.path.c_str(), O_RDONLY);
        if (http_response.fd >= 0)
        {
            //构建状态行
            http_response.status_line += HTTP_VERSION; //版本号
            http_response.status_line += " ";
            http_response.status_line += std::to_string(http_response.status_code); //状态码
            http_response.status_line += " ";
            http_response.status_line += Code2Desc(http_response.status_code); //状态码描述
            http_response.status_line += LINE_END;
            http_response.size = size;
            //构建报头
            string header_line = "Content-Type: ";
            header_line += Suffix2Desc(http_request.suffix);
            header_line += LINE_END;
            http_response.response_header.push_back(header_line);

            header_line = "Content-Length: ";
            header_line += std::to_string(size);
            header_line += LINE_END;
            http_response.response_header.push_back(header_line);

            //构建空行分隔符
            http_response.blank = LINE_END;
            
            //body不需要构建，是个html网页源码，不需要拉到用户层，等会直接sendfile出去就行，高效

            return OK;
        }
        return 404;
    }

发送响应

sendfile系统函数

sendfile函数在两个文件描述符之间传递数据（完全在内核中操作），从而避免了内核缓冲区和用户缓冲区之间的数据拷贝，效率很高，被称为零拷贝。函数定义为：

#include<sys/sendfile.h>
ssize_t senfile(int out_fd,int in_fd,off_t* offset,size_t count);

//in_fd参数是待读出内容的文件描述符，
//out_fd参数是待写入内容的文件描述符。
//offset参数指定从读入文件流的哪个位置开始读，如果为空，则使用读入文件流默认的起始位置。
//count参数指定文件描述符in_fd和out_fd之间传输的字节数。

 void SendHttpResponset()
    {

        //发状态行
        send(sock, http_response.status_line.c_str(), http_response.status_line.size(), 0);
        //发报头

        for (auto iter : http_response.response_header)
        {
            send(sock, iter.c_str(), iter.size(), 0);
        }
        //发\n
        send(sock, "\n", 1, 0);
        //发body

        sendfile(sock, http_response.fd, nullptr, http_response.size);

        close(http_response.fd);
    }

运行效果:

上面是我们调用非Cgi技术返回本地静态网页的过程，这显然是不够的，有时候c端请求会带参数需要我们server端处理，这时候就需要引入Cgi技术了;

Cgi技术

简介CGI（Common Gateway Interface）公共网关接口，是外部扩展应用程序与 Web 服务器交互的一个标准接口。它可以使外部程序处理www上客户端送来的表单数据并对此作出反应，通过某些特定的方式处理数据返回给Web服务器进而返回给c端;

虽然我们是创建新线程执行每个c端请求的，但由于我们http_server的进程只有一个，想要到特定位置执行cgi程序，此处不能直接exec替换掉当前进程，否侧httpserver直接没了;

那么就需要创建子进程进行一系列替换操作了;为了实现数据的交互，我们需要同时引入进程间通信，由于是父子之间，那就匿名管道！(因为管道是单向通信，我们要双向通信，所以搞两个管道)

可我们打开两个管道后，父子进程可以看到没错，当子进程进行exec程序替换（只替换代码和数据）之后，这两个匿名管道是数据没了管道还是存在的，（虽然还是存在着的，但是替换的程序看不到的），因为相当于一个全新的进程开始运行，他的文件描述符数组只有初始的0，1，2号fd;3，4号这两个打开的管道被藏起来了，那怎么处理呢？

采用如下设计(一种约定)：

我们采用dup2把0，1号标准fd重定向成当前的两个管道3，4;之后再exec替换，exec替换的程序里里是有0，1标准输入输出的，但是他其实已经被替换成两个管道了，用0，1就可以完成server与cgi.exe的交互了;

cgi程序获取数据

• 当c端GET方法发送数据时，一般比较短，我们直接利用环境变量导入可以让cgi程序拿到;
• 当c端POST方法发送数据时，我们直接通过管道写入cgi;
• 当然至于是GET还是POST方法，我们需要导入一个METHOD方法环境变量，让cgi程序可以识别

int ProcessCgi()
    {
        auto &bin = http_request.path;                 // cgi.exe的位置,子进程exec它
        auto &method = http_request.method;            // GET OR POST
        auto &body = http_request.request_body;        // POST 多 直接write到child
        auto &querystring = http_request.query_string; // GET 少 利用环境变量

        string query_string_env;
        string method_env;

        //站在父进程的角度创建匿名管道;
        int input[2];
        int output[2];
        if (pipe(input) < 0)
        {
            LOG(ERROR, "pipe input error!");
            return 404;
        }
        if (pipe(output) < 0)
        {
            LOG(ERROR, "pipe output error!");
            return 404;
        }

        //创建子进程，进行cgi
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0)
        { // child
            close(input[0]);
            close(output[1]);
            //在子进程角度
            // input[0]:读入->fd:0<->output[0];
            // input[1]:写出->fd:1<->input[1];
            dup2(output[0], 0);
            dup2(input[1], 1);
            //让替换的cgi程序知道GET还是POST方法，对应选择接收数据的方式
            method_env = "METHOD=";
            method_env += method;
            putenv((char *)method_env.c_str());

            if (method == "GET")
            {
                query_string_env = "QUERY_STRING=";
                query_string_env += querystring;
                putenv((char *)query_string_env.c_str());
            }

            // exec* bin
            // dup2替换fd之后，execl替换程序直接对0，1进行读取与写入，实际上就是与http_server的读取和写入

            execl(bin.c_str(), bin.c_str(), nullptr);

            exit(1); // execl失败
        }
        else if (pid < 0)
        { // error;
            return 404;
            LOG(ERROR, "fork error!");
        }
        else
        {                     // parent
            close(input[1]);  //父从cgi读，关掉写
            close(output[0]); //夫给cgi写，关掉读
		   //post方法传的参数多，父进程直接cgi给exec程序
            if (method == "POST")
            {
                const char *start = body.c_str();
                int total = 0;
                int size = 0;
                while ((size = write(output[1], start + total, body.size() - total)) > 0)
                {
                    total += size;
                }
            }

            waitpid(pid, nullptr, 0);
            //fd资源释放
            close(input[0]);
            close(output[1]);
        }

        return OK;
    }

test_cgi.cc

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>

using namespace std;

int main()
{
    cerr << "========================cgi begin===================" << endl; //用cerr测试，亦谓cout已经被我们替换成管道了！
    string method = getenv("METHOD");
    cerr << "METHOD = " << method << endl;
    string query_string;
    if (method == "GET")
    {

        query_string = getenv("QUERY_STRING");
        cerr << "GET DeBug query_string = " << query_string << endl;
    }
    else if (method == "POST")
    {
        cerr << "Content-length = " << getenv("CONTENT_LENGTH") << endl;
        int count_length = atoi(getenv("CONTENT_LENGTH"));

        while (count_length--)
        {
            char c;

            read(0, &c, 1);
            query_string += c;
        }
        cerr << "POST DeBug query_string = " << query_string << endl;
    }
    else
    {
    }
    
    //数据处理...
    
    cerr << "========================cgi end===================" << endl;
    return 0;
}

Makefile的封装

bin=server
cgi=test_cgi
cc=g++
LD_FLAGS=-std=c++11 -lpthread
curr=$(shell pwd)
src=main.cc

ALL:$(bin) $(cgi)
.PHONY:ALL

$(bin):$(src)
	$(cc) -o $@ $^ $(LD_FLAGS)

$(cgi):cgi/test_cgi.cc
	$(cc) -o $@ $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -f $(bin) $(cgi)
	rm -rf output

.PHONY:output  #发布软件 make out
output:
	mkdir -p output
	cp $(bin) output
	cp -rf wwwroot output
	cp $(cgi) output/wwwroot

运行结果:

GET:

POST:

cgi程序处理并返回数据

cgi程序对读入的数据进行处理;在返回给http_server,进而返回给sock（c端链接）

test_cgi.cc

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>

using namespace std;
bool GetQueryString(string &query_string)
{
    bool result = false;
    string method = getenv("METHOD");
    cerr << "METHOD = " << method << endl;

    if (method == "GET")
    {

        query_string = getenv("QUERY_STRING");

        result = true;
    }
    else if (method == "POST")
    {
        cerr << "Content-length = " << getenv("CONTENT_LENGTH") << endl;
        int count_length = atoi(getenv("CONTENT_LENGTH"));

        while (count_length--)
        {
            char c;

            read(0, &c, 1);
            query_string += c;
        }

        result = true;
    }
    else
    {
        result = false;
    }
    return result;
}
void CutString(string &in, const string &sep, string &out1, string &out2)
{
    int index;
    if ((index = in.find(sep)) != string::npos)
    {
        out1 = in.substr(0, index);
        out2 = in.substr(index + sep.size());
    }
}
int main()
{
    cerr << "========================cgi begin===================" << endl; //用cerr测试，亦谓cout已经被我们替换成管道了！
    string query_string;
    GetQueryString(query_string);
    // a=100&b=200
    // a,100,b,200

    //数据分析
    string str1, str2;

    string name1, value1;
    string name2, value2;
    CutString(query_string, "&", str1, str2);
    CutString(str1, "=", name1, value1);
    CutString(str2, "=", name2, value2);
    //cout已经被重定向了,往fd1输出，实际上是往input[1]输出，httpserver用input[0]接收，再调用send,即可返回给浏览器;
    cout << name1 << " : " << value1 << endl;
    
    cout << name2 << " : " << value2 << endl;

    // cerr本地调试查看
    cerr << name1 << " : " << value1 << endl;

    cerr << name2 << " : " << value2 << endl;

    cerr << "========================cgi end===================" << endl;
    return 0;
}

http_server的父进程添加下列从子进程cgi读取数据的代码

char c;
            while (read(input[0], &c, 1) > 0)
            {
                response_body += c; //读取的数据构建，响应报文，随后可以send
            }
            int status = 0;
            pid_t ret = waitpid(pid, &status, 0);
            if (ret == pid)
            { //等待有可能失败，得再做判断;
                if (WIFEXITED(status))
                {
                    if (WEXITSTATUS(status) == 0)
                    {
                        code = OK;
                    }
                    else
                    { //正常退出，结果不正确
                        code = 404;
                    }
                }
                else
                { //不正确退出
                    code = 404;
                }
            }

数据解析测试:

C端：

S端:

cgi技术总结

下面这张图详细的解释了我们这个http_server所引用的cgi技术

可以看到：

子CGI程序的标准输入是浏览器！

子CGI程序的标准输出也是是浏览器！

HTTP搭建了所有的通信细节

cgi程序可以用任何高级语言编写，以上http_server与cgi技术的设计高度解耦，是众多http_server都会使用的机制，众多与前端交互的高级语言，web开发的高级语言，如php，java，底层都引用了cgi技术;

也就意味着我们永远开发的是cgi程序，中间http_server的固定模式不用管，简化了我们开发只需要关心cgi程序,进行数据处理，不用再关心通信细节了(由HTTP完成);

（什么cookie session都能通过环境变量等传递给cgi… 进一步处理）

错误处理

• 逻辑错误(读取完毕了，需要给对方回应)-分析的时候出错eg请求资源不存在或者管道创建失败
• 读取错误(读取不一定完毕，读取的时候出错->不给对方回应->退出即可)-读取的时候出错eg读的时候浏览器sock断开
• 写入错误（send给c端的过程中，c端断开退出了，继续写就没意义了）

处理逻辑错误

请求出错，我们记录错误码，goto end:执行BuildHttpResponseHelper;

不管是cgi还是非cgi，其中有错误我们也记录错误码，进入BuildHttpResponseHelper;

这样在构建响应的时候，如果状态码不对，也能根据相应的状态码构建对应的返回网页，最后send回浏览器;

#define OK 200
#define NOT_FOUND 404
#define BAD_REQUEST 400
#define SERVER_ERROR 500

void HandlerError(string page)
    {
        http_request.cgi = false; //只要出错，我们就cgi = false，最后send正常的静态错误网页
        //返回404.html

        http_response.fd = open(page.c_str(), O_RDONLY);
        if (http_response.fd > 0)
        {
            struct stat st;
            stat(page.c_str(), &st);
            string line = "Cntent-Type: text/html";
            line += LINE_END;
            http_response.response_header.push_back(line);

            line = "Cntent-Length: ";
            line += std::to_string(st.st_size);
            line += LINE_END;
            http_response.response_header.push_back(line);
            http_response.size = st.st_size;
        }
    }
    void BuildOkResponse()
    {
        string line = "Cntent-Type: ";
        line += Suffix2Desc(http_request.suffix);
        line += LINE_END;
        http_response.response_header.push_back(line);

        line = "Content-Length: ";
        if (http_request.cgi)
        {
            line += std::to_string(http_response.response_body.size()); // cgi程序 返回body
        }
        else
        {
            line += std::to_string(http_response.size); // Noncgi 静态网页
        }
        line += LINE_END;
        http_response.response_header.push_back(line);
    }

void BuildHttpResponseHelper()
    {
        auto &status_code = http_response.status_code;
        //构建状态行
        auto &status_line = http_response.status_line;
        status_line += HTTP_VERSION;
        status_line += " ";
        status_line += std::to_string(status_code);
        status_line += " ";
        status_line += Code2Desc(status_code);
        status_line += LINE_END;

        string path = WEB_ROOT;

        //构建响应正文，可能包括header
        switch (status_code)
        {
        case OK:
            BuildOkResponse();
            break;
            
        case NOT_FOUND:
            path += '/';
            path += PAGE_404;
            HandlerError(path);
            break;

        case BAD_REQUEST:
            path += '/';
            path += PAGE_404;
            HandlerError(path);
            break;
        case SERVER_ERROR:
            path += '/';
            path += PAGE_404;
            HandlerError(path);
            break;
        default:
            break;
        }
    }

浏览器请求不存在资源：

HTTP_SERVER返回404：

处理读取错误

添加stop停止标记;

在Recv的过程中如果read等方法出错，stop设置为true，最终stop如果还是false证明recv成功，再执行Build 和 Send;

处理写入错误

写入出现问题，c端关闭，他的管道也就都没了，系统会给server发送sigpipe信号中断挂掉server，这显然是不行的！

我们需要忽略他，简单粗暴的处理，保证server继续运行;

引入线程池

我们都知道原先的方法是，来一个sock扩建一个线程，这显然是不行的，如果海量请求来了，一直扩线程server是顶不住的，而且可可以利用这个特点不断的发送sock链接挂起导致http_server崩溃;\

这就要求软件硬件层面取平衡了，线程池是一个常常用来缓解这种情况的方式;

任务类，线程处理的task,我们将原先的Entrance改为CallBack，并且设置仿函数和回调函数，task类能直接回调执行sock处理！

Task.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include "Protocol.hpp"
class Task
{
private:
    int sock;
    CallBack handler; //设置回调
public:
    Task() {}
    Task(int _sock) : sock(_sock)
    {
    }
    //处理任务
    void ProcessOn()
    {
        handler(sock); //调用callback类里面的仿函数 直接处理sock
    }
    ~Task() {}
};

ThreadPool.hpp

设计一个简易的：“线程池”

#pragma once
#include "Task.hpp"
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <queue>
#include "Log.hpp"
using std::queue;

#define NUM 6

class Thread_Pool
{
private:
    int num;
    queue<Task> task_queue;
    bool stop;
    pthread_mutex_t lock;
    pthread_cond_t cond;

    static Thread_Pool *single_instance;
    Thread_Pool(int _num = NUM) : num(_num), stop(false)
    {
        pthread_mutex_init(&lock, nullptr);
        pthread_cond_init(&cond, nullptr);
    }
    Thread_Pool(const Thread_Pool &) {}

public:
    static Thread_Pool *getinstance() //单例
    {
        static pthread_mutex_t _mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
        if (single_instance == nullptr)
        {
            pthread_mutex_lock(&_mutex);
            if (single_instance == nullptr)
            {
                single_instance = new Thread_Pool();
                single_instance->InitThreadPool();
            }
            pthread_mutex_unlock(&_mutex);
        }
        return single_instance;
    }

    bool TaskQueueIsEmpty()
    {
        return task_queue.size()==0?true:false;
    }
    void Lock()
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
    }

    void Unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    bool IsStop()
    {
        return stop;
    }
    void ThreadWait()
    {
        pthread_cond_wait(&cond, &lock);
    }
    void ThreadWakeup()
    {
        pthread_cond_signal(&cond);
    }
    static void *ThreadTRoutine(void *args)
    {
        Thread_Pool *tp = (Thread_Pool *)args;

        while (true)
        {
            Task t;
            tp->Lock();
            while (tp->TaskQueueIsEmpty())
            {
                tp->ThreadWait(); //当我醒来一定占有互斥锁!
            }
            tp->PopTask(t);
            tp->Unlock();

            t.ProcessOn(); // CallBack回调处理，处理这个sock链接
        }
    }
    bool InitThreadPool()
    {
        for (int i = 0; i < num; i++)
        {
            pthread_t tid;
            if (pthread_create(&tid, nullptr, ThreadTRoutine, this) != 0)
            {
                LOG(FATAL, "create thread pool error");
            }
        }
        LOG(INFO, "create thread pool success");
        return true;
    }

    void PushTask(const Task &task)
    {
        Lock();
        task_queue.push(task);
        Unlock();
        ThreadWakeup();
    }
    void PopTask(Task &task)
    {
        //上层调用pop加过锁了
        task = task_queue.front();
        task_queue.pop();
    }
    ~Thread_Pool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&lock);
        pthread_cond_destroy(&cond);
    }
};

Thread_Pool *Thread_Pool::single_instance = nullptr;

提交表单测试

修改后的index.html如下:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset='utf-8'>
 
    <title>TEST SUBMIT</title>
  
</head>
<body>
   
    <form action = "/test_cgi" method="GET"> 
        x:<input type = "text" name = "data_x"><br>
        y:<input type = "text" name = "data_y"><br><br>
        <input type = "submit" value = "提交运算">
    </form>
</body>
</html>

表单里的action是提交路径，method是提交方法(我们用GET or POST);

测试结果:

提交前:

点击提交后:

可以看到，提交按钮将我们输入的数据x:100,y:200 上传到了路径test_cgi中;

本质上是浏览器又向我们HTTP_SERVER发送了请求报头为 GET /test_cgi?data_x=100&data_y=200 HTTP/1.0 的请求，之后cgi处理完数据将结果返回给浏览器 显示处理结果;

当<from>中的method ="POST"时，提交如下:

由于我们表单采用的是GET方法，所以直接在浏览器的请求uri中就能看到提交的数据;

如果是POST方法，那么就会有更好的私密性，提交的数据会在request.body中传递给HTTP_SERVER;

cgi返回网页

显然我们正常业务逻辑下HTTP_SERVER不可能只返回数据给C端，我们需要进行前端操作将数据处理以后嵌入网页返回给C端;(C++写这玩意有点麻烦，我们可以用javaweb php等写cgi程序，cgi程序支持所有语言的可执行程序，根据需求来)

test_cgi

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>

using namespace std;
bool GetQueryString(string &query_string)
{
    bool result = false;
    string method = getenv("METHOD");
    cerr << "METHOD = " << method << endl;

    if (method == "GET")
    {

        query_string = getenv("QUERY_STRING");

        result = true;
    }
    else if (method == "POST")
    {
        cerr << "Content-length = " << getenv("CONTENT_LENGTH") << endl;
        int count_length = atoi(getenv("CONTENT_LENGTH"));

        while (count_length--)
        {
            char c;

            read(0, &c, 1);
            query_string += c;
        }

        result = true;
    }
    else
    {
        result = false;
    }
    return result;
}
void CutString(string &in, const string &sep, string &out1, string &out2)
{
    int index;
    if ((index = in.find(sep)) != string::npos)
    {
        out1 = in.substr(0, index);
        out2 = in.substr(index + sep.size());
    }
}
int main()
{
    cerr << "========================cgi begin===================" << endl; //用cerr测试，亦谓cout已经被我们替换成管道了！
    string query_string;
    GetQueryString(query_string);
    // a=100&b=200
    // a,100,b,200

    //数据分析
    string str1, str2;

    string name1, value1;
    string name2, value2;
    CutString(query_string, "&", str1, str2);
    CutString(str1, "=", name1, value1);
    CutString(str2, "=", name2, value2);

    int x = atoi(value1.c_str());
    int y = atoi(value2.c_str());
    //可能向进行某种计算(计算，搜索，登陆等)，想进行某种存储(注册)
    cout << "<html>";
    cout << "<head><meta charset=\"utf-8\"></head>";
    cout << "<body>";
    //往fd1输出，到httpserver了
    cout << name1 << " : " << value1 << endl;

    cout << name2 << " : " << value2 << endl;
    cout << "<h3> " << value1 << " + " << value2 << " = " << x + y << "</h3>";
    cout << "<h3> " << value1 << " - " << value2 << " = " << x - y << "</h3>";
    cout << "<h3> " << value1 << " * " << value2 << " = " << x * y << "</h3>";
    cout << "<h3> " << value1 << " / " << value2 << " = " << x / y << "</h3>";
    //假设/0错误，cgi崩溃，父进程wait到的车状态就会异常,直接就错误处理返回静态错误网页了 不需要担心;
    cout << "</body>";
    cout << "</html>";

    cerr << "========================cgi end===================" << endl;
    return 0;
}

运行结果:

提交前:

提交后:(GET方法)

表单总结

通过上述提交表单操作，我们能看出:

• GET通过uri传参，from提交的时候，会将参数自动拼接request的到请求uri中;
• POST通过正文传参，参数再request.body中;

GET因为通过uri传参，我们HTTP_SERVER内部对于get传参的方式优化为环境变量传参;但url长度是有限制的，所以GET方法的参数在某种程度上来说是短的，有限制的;

POST是通过request.body传参，底层通过管道，子进程cgi程序读取参数，所以可以参数很长，基本上不受限制;

补充数据库

数据是网络中的石油，实际业务场景中，需要存储数据日后查询使用的场景也很多，我们在此http_server的基础上引入一个简单地数据库，模拟一下用户注册用户名和密码时，后台连接数据库处理的流程！

需要下载安装好C链接mysql的套件;

创建存账户信息的数据库:

comm.hpp

编写完发现GetQueryString()和CutString()不论是普通cgi还是mysqlcgi都需要用到的处理数据的工具函数，我们把他俩单独封装入comm.hpp头文件中

#pragma once

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>

using namespace std;
bool GetQueryString(string &query_string)
{
    bool result = false;
    string method = getenv("METHOD");
    cerr << "METHOD = " << method << endl;

    if (method == "GET")
    {

        query_string = getenv("QUERY_STRING");

        result = true;
    }
    else if (method == "POST")
    {
        cerr << "Content-length = " << getenv("CONTENT_LENGTH") << endl;
        int count_length = atoi(getenv("CONTENT_LENGTH"));

        while (count_length--)
        {
            char c;

            read(0, &c, 1);
            query_string += c;
        }

        result = true;
    }
    else
    {
        result = false;
    }
    return result;
}
void CutString(string &in, const string &sep, string &out1, string &out2)
{
    int index;
    if ((index = in.find(sep)) != string::npos)
    {
        out1 = in.substr(0, index);
        out2 = in.substr(index + sep.size());
    }
}

mysql_conn.cc

#include "comm.hpp"
#include "mysql.h"

bool InsertSql(string sql)
{
    MYSQL *conn = mysql_init(nullptr);     //创建mysql句柄
    mysql_set_character_set(conn, "utf8"); //程序和mysql通信的时候 采用utf-8 防止乱码
    //链接mysql
    if (nullptr == mysql_real_connect(conn, "127.0.0.1", "http_test", "12345678", "http_test", 3306, nullptr, 0))
    {
        cerr << "connect mysql error!" << endl;
        return 1;
    }

    cerr << "connect mysql success!" << endl;

    cerr << "query : " << sql << endl;
    int ret = mysql_query(conn, sql.c_str()); //向mysql下发命令
    cerr << "ret : " << ret << endl;

    mysql_close(conn);
    return true;
}
int main()
{
    string query_string;

    if (GetQueryString(query_string)) //从HTTP_SERVER获取参数
    {
        cerr << "query_string : " << query_string.c_str() << endl;
        //参数处理;类似于test_cgi的处理数据逻辑;

        // name=xxx&passwd=xxx
        string name;
        string passwd;
        CutString(query_string, "&", name, passwd);

        //参数进一步拆分
        string _name;
        string sql_name;
        CutString(name, "=", _name, sql_name);
        string _passwd;
        string sql_passwd;
        CutString(passwd, "=", _passwd, sql_passwd);
		//构建sql语句
        string sql = "insert into user(name,passwd) values(\'";
        sql += (sql_name + "\',");
        sql += (sql_passwd + ")");

        // sql语句构建号以后，插入数据库; 返回一个简单地提示网页！
        if (InsertSql(sql))
        {
            cout << "<html>";
            cout << "<head><meta charset=\"utf-8\"></head>";
            cout << "<body><h1>注册成功！信息已经插入后台数据库!</h1></body>";
        }
    }

    return 0;
}

模拟注册运行展示

浏览器请求http_server,并填写账户信息准备提交注册:

http_server中的sql_conn程序执行结果:

http_server返回的网页给浏览器：

查看mysql中刚注册的账户信息:

项目源代码链接

Gitee仓库

项目总结

聚焦于处理HTTP的请求和构建对应响应; 我们主要研究基于 HTTP/1.0 短连接 的GET和POST方法;

获得请求，分析请求，错误处理等; 制定特定的网页src用于返回; 引入简单的日志系统

搭建CGI机制;

父子管道，设计dup2重定向，环境变量传参等

引入线程池;

采用多线程技术，缓解内存开销;

引入数据库;

链接mysql数据库，可以设计更多样的具体应用;

项目扩展方向

技术层面扩展

1. 使用epoll机制(我们用的多线程只是用中小型业务)
2. redis;
3. 请求转发服务器(代理功能，梯子)

应用层面扩展

1. 在线博客（制定对应的格式text和前端功能，建立对应数据库，实现博客的上传查询与修改）
2. 在线画图板（返回一个在线画图板网页，用户画完，存入指定路径path，path插入对应数据库用于下次查看）
3. 在线音视频播放（已经支持了）
4. 在线网络计算器（我们已经实现了建议的±*/）