Go Web: 搭建web服务器的底层实现流程

搭建一个简单的web服务#

package main

import (
	"fmt"
	"net/http"
	"strings"
	"log"
)

func sayhelloName(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
	r.ParseForm()  // 解析参数，默认是不会解析的
	fmt.Println(r.Form)  // 这些信息是输出到服务器端的打印信息
	fmt.Println("path", r.URL.Path)
	fmt.Println("scheme", r.URL.Scheme)
	fmt.Println(r.Form["num"])
	for k, v := range r.Form {
		fmt.Println("key:", k)
		fmt.Println("val:", strings.Join(v, ""))
	}
	fmt.Fprintf(w, "Hello World") // 这个写入到w的是输出到客户端的
}

func main() {
	http.HandleFunc("/", sayhelloName) // 注册了请求/的路由规则，当请求uri为"/"，路由就会转到函数sayhelloName
	err := http.ListenAndServe(":9090", nil) // 设置监听的端口
	if err != nil {
		log.Fatal("ListenAndServe: ", err)
	}
}

在上述代码中，主函数调用了net/http包下的两个函数HandleFunc() 和ListenAndServe()。

HandleFunc()#

// http.HandleFunc("/", sayhelloName)
func HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
	DefaultServeMux.HandleFunc(pattern, handler)
}

在本例中pattern = "/", handler = sayhelloName()，代表HandleFunc() 注册了请求"/"的路由规则：当请求uri为"/"，路由就会转到函数sayhelloName()。

函数HandleFunc() 的底层实现步骤为：

  1. 调用DefaultServeMux.HandleFunc() 方法

    // DefaultServeMux.HandleFunc(pattern, handler)
func (mux *ServeMux) HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
    if handler == nil {
        panic("http: nil handler")
    }
    mux.Handle(pattern, HandlerFunc(handler))
}

    其中，DefaultServeMux的类型是*ServeMux:

    // DefaultServeMux is the default ServeMux used by Serve.
var DefaultServeMux = &defaultServeMux
var defaultServeMux ServeMux

    ServeMux类型是HTTP请求的多路转接器。它会将每一个接收的请求的URL与一个注册模式的列表进行匹配，并调用和URL最匹配的模式的处理器。

  2. 调用mux.Handle()方法，向DefaultServeMux的map[string]muxEntry中增加对应的handler和路由规则。

    // mux.Handle(pattern, HandlerFunc(handler))
func (mux *ServeMux) Handle(pattern string, handler Handler) {
    mux.mu.Lock()
    defer mux.mu.Unlock()
    ...
    if mux.m == nil {
        mux.m = make(map[string]muxEntry)
    }
    e := muxEntry{h: handler, pattern: pattern}
    mux.m[pattern] = e  // 增加对应的handler和路由规则
    ...
}

    其中，ServeMux类型的属性如下：

    type ServeMux struct {
    mu sync.RWMutex   //锁，由于请求涉及到并发处理，因此这里需要一个锁机制
    m  map[string]muxEntry  // 路由规则，一个string对应一个mux实体，这里的string就是注册的路由表达式
    hosts bool // 是否在任意的规则中带有host信息
}

type muxEntry struct {
    explicit bool   // 是否精确匹配
    h        Handler // 这个路由表达式对应哪个handler
    pattern  string  //匹配字符串
}

  3. 我们可以看到muxEntry类型的key[h]对应Handler类型：

    type Handler interface {
    ServeHTTP(ResponseWriter, *Request)
}

    而我们定义的函数sayhelloName并未实现该接口，因此理论上是不能作为参数放入e := muxEntry{h: handler, pattern: pattern} 表达式中的。这时我们注意到在第二步调用mux.Handle(pattern, HandlerFunc(handler)) 时，其实已经通过 HandlerFunc(handler) 将函数 sayhelloName强制转换为HandlerFunc类型。而类型HandlerFunc默认拥有方法：ServeHTTP ，因此sayhelloName 就实现了Handler接口，从而可以为特定的路径处理HTTP请求。

    // HandlerFunc(handler)
type HandlerFunc func(ResponseWriter, *Request)

func (f HandlerFunc) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request)

ListenAndServe()#

// err := http.ListenAndServe(":9090", nil)
func ListenAndServe(addr string, handler Handler) error {
	server := &Server{Addr: addr, Handler: handler}
	return server.ListenAndServe()
}

其底层实现的步骤为：

  1. server := &Server{Addr: addr, Handler: handler}实例化了一个Server，它定义了运行HTTP服务端的参数：

    type Server struct {
    Addr           string        // 监听的TCP地址，如果为空字符串会使用":http"
    Handler        Handler       // 调用的处理器，如为nil会调用http.DefaultServeMux
...
}

  2. 调用Server的ListenAndServe() 方法，该方法分为两个部分：监听端口(ln, err := net.Listen("tcp", addr))和 提供服务(srv.Serve(ln))。

    // return server.ListenAndServe()
func (srv *Server) ListenAndServe() error {
...
addr := srv.Addr
if addr == "" {
    addr = ":http"
}
ln, err := net.Listen("tcp", addr)
if err != nil {
    return err
}
return srv.Serve(ln)
}

  3. 调用net.Listen() 方法监听端口，返回一个Listener接口。

    // ln, err := net.Listen("tcp", addr)
func Listen(network, address string) (Listener, error) {
var lc ListenConfig
return lc.Listen(context.Background(), network, address)
}

type Listener interface {
    // Addr返回该接口的网络地址
    Addr() Addr
    // Accept等待并返回下一个连接到该接口的连接
    Accept() (c Conn, err error)
    // Close关闭该接口，并使任何阻塞的Accept操作都会不再阻塞并返回错误。
    Close() error
}

    Listener是一个用于面向流的网络协议的公用的网络监听器接口。多个线程可能会同时调用一个Listener的方法。

  4. 将上一步返回的Listener接口ln作为参数，调用Sever.Serve() 方法：

    启动一个for循环，在循环体中调用Listener接口的Accept() 方法，等待接收客户端发出的请求。

    // return srv.Serve(ln)
func (srv *Server) Serve(l net.Listener) error {
defer l.Close()
var tempDelay time.Duration // how long to sleep on accept failure
for {
        // 等待接收客户端发出的请求，返回一个接口类型Conn的实例rw
    rw, err := l.Accept()
    ...
        c := srv.newConn(rw)
    ...
    go c.serve(connCtx)
}

  5. c := srv.newConn(rw)对客户端的每个请求实例化一个conn(此处的c为结构体类型conn，上文中的rw为接口类型Conn,注意大小写), 即创建了一个连接实体。这个连接实体里面保存了该次请求的信息。

    func (srv *Server) newConn(rwc net.Conn) *conn {
c := &conn{
    server: srv,
    rwc:    rwc,
}
if debugServerConnections {
    c.rwc = newLoggingConn("server", c.rwc)
}
return c
}

  6. go c.serve(connCtx)调用conn.Serve()方法开启一个goroutine为这个连接进行服务。这体现了go的支持高并发，用户的每一次请求都是在一个新的goroutine去服务，相互不影响。

    func (c *conn) serve(ctx context.Context) {
    ...
    for {
        // 读取每个请求的内容
        w, err := c.readRequest(ctx)
        if c.r.remain != c.server.initialReadLimitSize() {
            // If we read any bytes off the wire, we're active.
            c.setState(c.rwc, StateActive)
        }
	...
	// 处理请求
	serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)
	....
}

  7. Serve()方法分为两个部分，分别是：w, err := c.readRequest(ctx)和serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)。首先调用conn.readRequest() 方法对请求进行解析，返回了一个*response类型的响应w：

    // w, err := c.readRequest(ctx)
func (c *conn) readRequest(ctx context.Context) (w *response, err error) {
    ...
        w = &response{
        conn:          c,
        cancelCtx:     cancelCtx,
        req:           req,
        reqBody:       req.Body,
		...
    }
	...
}

    结构体类型response代表对一个HTTP请求的响应。由于该结构体首字母小写，因此无法在包外调用。而*response实现了ResponseWriter的全部方法。因此我们可以将*response当作一个ResponseWriter传入相应的函数，从而通过引用传递来操作response。

    type ResponseWriter interface {
    Header() Header
    WriteHeader(int)
    Write([]byte) (int, error)
}

type response struct {
	conn             *conn
	req              *Request // request for this response
	...
}

func (w *response) Header() Header {
    if w.cw.header == nil && w.wroteHeader && !w.cw.wroteHeader {
        w.cw.header = w.handlerHeader.Clone()
    }
    w.calledHeader = true
    return w.handlerHeader
}

func (w *response) WriteHeader(code int) {
    if w.conn.hijacked() {
        caller := relevantCaller()
        w.conn.server.logf("http: response.WriteHeader on hijacked connection from %s (%s:%d)", caller.Function, path.Base(caller.File), caller.Line)
        return
    }
    ...
}

func (w *response) Write(data []byte) (n int, err error) {
    return w.write(len(data), data, "")
}

    这也解释了为什么ServeHTTP方法中的两个参数：ResponseWriter和*Request，只有Request是按引用传递的，因为传入ResponseWriter的变量本质是*response。

  8. 随后在Serve()方法中调用serverHandler结构体类型的ServeHTTP方法，并将w和w.req分别作为响应和请求传入：

     serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)

    serverHandler结构体只有一个字段srv，它是一个指向Server结构体类型的指针。调用ServeHTTP方法时，会首先判断之前实例化得到的Server中的Handler字段是否为空。若为空，则设置handler = DefaultServeMux。

     type serverHandler struct {
 	srv *Server
 }

 func (sh serverHandler) ServeHTTP(rw ResponseWriter, req *Request) {
 	handler := sh.srv.Handler
 	if handler == nil {
 		handler = DefaultServeMux
 	}
 	...
 	handler.ServeHTTP(rw, req)
 }

    由于本例中调用http.ListenAndServe(":9090", nil)时，传入Handler的参数值为nil，因此设置handler = DefaultServeMux。上文提到，DefaultServeMux是一个指向ServeMux的指针，而*ServeMux的ServeHTTP方法为：

    \\ handler.ServeHTTP(rw, req)
 func (mux *ServeMux) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
 	...
 	h, _ := mux.Handler(r)
 	h.ServeHTTP(w, r)
 }

    其中，h, _ := mux.Handler(r)内部还调用了ServeMux.handler方法，其作用是调用mux.match()根据path在DefaultServeMux中寻找对应的Handler函数。由于我们已经通过在主函数中的第一行代码中调用HandleFunc()向DefaultServeMux中注册了请求"/"的路由规则（映射关系），因此当请求uri为"/"时，返回的变量h便是Handler函数sayhelloName。

     func (mux *ServeMux) Handler(r *Request) (h Handler, pattern string) {
 	...
 	host := stripHostPort(r.Host)
 	...
 	return mux.handler(host, r.URL.Path)
 }

 // handler is the main implementation of Handler.
 func (mux *ServeMux) handler(host, path string) (h Handler, pattern string) {
 	...
 	if mux.hosts {
 		h, pattern = mux.match(host + path)
 	}
 	if h == nil {
 		h, pattern = mux.match(path)
 	}
 	if h == nil {
 		h, pattern = NotFoundHandler(), ""
 	}
 	return
 }

  9. 因此上述代码中的h.ServeHTTP(w, r)就是调用了Handler函数sayhelloName的ServeHttp方法：

    func (f HandlerFunc) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
    f(w, r)
}

    ServeHTTP方法有2个参数，第二个参数是 Request ，该对象包含了该HTTP请求的所有的信息，比如请求地址、Header和Body等信息；第一个参数是 ResponseWriter ，利用 ResponseWriter 可以构造针对该请求的响应。

    这个方法内部其实就是调用sayhelloName本身。

实现流程图#

3.3.illustrator

测试结果#

一、无参数发起请求#

客户端#

20201225020323

服务端#

20201225020402

二、带参数发起请求#

客户端#

20201225020554

服务端#

20201226200222

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