Tomcat是怎么工作的(2) -- 动手实现山寨版的简单Web Server
本文先讲解一下Java web server都是怎么工作的。web server也叫HTTP server——顾名思义它是用HTTP协议和客户端交互的。客户端一般就是各种各样的浏览器了。相信所有朋友都清楚这个基本事实，否则你也不会看到这个系列文章了。
基于Java的web server必然用到两个极其重要的类：java.net.Socket和java.net.ServerSocket，然后以HTTP消息进行交互。
1. HTTP协议简介(The Hypertext Transfer Protocol)
HTTP是用于web server和浏览器之间发送、接收数据的基础核心协议——客户端发起请求然后服务端进行响应。它使用应答式TCP连接，默认情况下监听在80端口上。第一版协议是HTTP/0.9，然后又被HTTP/1.0重写了，随后HTTP/1.1又替换掉了HTTP/1.0——当前我们使用的正是HTTP/1.1，它的协议文件叫RFC2616，有兴趣的可以去w3网站上下载回来研究一下，对你理解和掌握HTTP以及整个互联网的核心有着无可替代的作用。接地气的说法就是：明白了RFC2616，你就明白了易筋经和九阳神功，自此之后横行天下无所顾忌。。。
HTTP里，永远都是客户端主动发起请求，然后服务端才有可能和它建立连接。web server永远不会主动连接或者回调客户端，但是两边都可以直接断开连接。
总结成一句话就是：服务端永远处于绝对优势地位，客户端你不连我我就绝对不会连你，只有你客户端发起请求了，我服务端才会和你连接，当然，心情不好时我也照样可以不对你的请求做出任何响应。像极了男人追女人的恋爱过程吧。。。
1.1 HTTP请求
它由以下部分组成：
第一部分：方式 — URI — 协议/版本号
第二部分：请求头
第三部分：实体数据
典型例如如下：
1: POST /baidu.com/小苹果歌词.txt HTTP/1.1
2:
3: Accept: text/plain; text/html
4: Accept-Language: en-gb
5: Connection: Keep-Alive
6: Host: localhost
7: User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 4.01; Windows 98)
8: Content-Length: 33
9: Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
10: Accept-Encoding: gzip, deflate
11:
12: lastName=Franks&firstName=Michael
对应的第一部分就是这段请求信息的第一行，下面再详细讲解下：
POST /baidu.com/小苹果歌词.txt HTTP/1.1
这一行的“POST”是请求方式，“/baidu.com/小苹果歌词.txt”是对应的URI，而“HTTP/1.1”就是对应的协议/版本号了。
HTTP协议定义了很多请求方式，每一个HTTP请求都可以使用其中的一种。HTTP 1.1 支持7种请求类型：GET，POST，HEAD，OPTIONS，PUT，DELETE以及TRACE。一般情况下，我们只用到GET和POST就足够了。
URI完整的指定了一个网络资源，一般情况下它都是相对于服务器的根目录进行资源定位，你看到的URI才经常以斜杠“/”开头，当然，通常我们只知道URL，URL实际上只是URI的一种而已（细节可研究RFC2396协议）。第一行的协议版本号，顾名思义就是当前使用的是哪版HTTP协议了。
请求头包含了一些关于客户端环境和请求体的有用信息。例如，它可以指示浏览器使用的语言、请求体的数据长度等等。每一个请求头和请求体之间都通过回车换行符（CRLF）分隔。
请求头和请求体之间的空白行（CRLF）是HTTP请求格式中不可或缺的一部分，它用于指明请求体数据开始的w位置。甚至在一些网络编程书中，这个空白行（CRLF）直接被当作了HTTP请求标准格式的第四个组成部分。
在上面那个例子中，请求体的实体数据只有简单的一行，不过实际应用中实体数据往往比较多：
lastName=Franks&firstName=Michael
1.2 HTTP响应
和HTTP请求相似，HTTP响应也由三部分组成：
第一部分：协议 -- 状态码 --描述
第二部分：响应头
第三部分：响应体
举个例子：
1: HTTP/1.1 200 OK
2: Server: Microsoft-IIS/4.0
3: Date: Mon, 5 Jan 2004 13:13:33 GMT
4: Content-Type: text/html
5: Last-Modified: Mon, 5 Jan 2004 13:13:12 GMT
6: Content-Length: 112
7:
8: <html>
9: <head>
10: <title>HTTP Response Example</title>
11: </head>
12: <body>
13: Welcome to Brainy Software
14: </body>
15: </html>
响应头第一行和请求头极为相似，它指示了当前使用的协议是HTTP/1.1版本，而且请求成功了（200=成功），一切顺利。
响应头包含的有用信息类似于请求头的。响应体是一段HTML内容，响应头和响应体之间以CRLF分隔。
2. Socket类
socket是网络连接的一个端点，它赋予应用程序读写网络流的能力。两台电脑通过发送和接收基于连接的字节流来进行交流沟通。若要发消息给另一个程序，你需要知道这个程序socket的ip地址和端口号。在java里，socket指的是java.net.Socket类。
你可以使用Socket类的诸多构造器中任意一个来创建socket，下面这个构造器接收主机名和端口号作为参数：
public Socket (java.lang.String host, int port)
在此，host可以是主机名或者ip地址，端口号就是对应的程序占用的端口。例如，要想连接80端口上的yahoo.com，你需要如下构造方式：
new Socket("yahoo.com", 80);
一旦成功创建Socket实例，你就可以用它来发送接收字节流了。要发送字节流，你必须首先调用Socket类的getOutputStream方法获取java.io.OutputStream对象，要发送纯文本的话，我们通常构造一个OutputStream对象返回的java.io.PrintWriter对象。要接收字节流，你就应该调用Socket类的getInputStream方法来获取 java.io.InputStream。
下面就是代码展示了，各位看官请好：
1: Socket socket = new Socket("127.0.0.1", "8080");
2: OutputStream os = socket.getOutputStream();
3: boolean autoflush = true;
4: PrintWriter out = new PrintWriter( socket.getOutputStream(), autoflush);
5: BufferedReader in = new BufferedReader( new InputStreamReader( socket.getInputstream() ));
6:
7: // 向web server发送HTTP请求
8: out.println("GET /index.jsp HTTP/1.1");
9: out.println("Host: localhost:8080");
10: out.println("Connection: Close");
11: out.println();
12:
13: // 读取响应
14: boolean loop = true;
15: StringBuffer sb = new StringBuffer(8096);
16: while (loop) {
17: if ( in.ready() ) {
18: int i=0;
19: while (i!=-1) {
20: i = in.read();
21: sb.append((char) i);
22: }
23: loop = false;
24: }
25: Thread.currentThread().sleep(50);
26: }
27:
28: // 输出响应内容
29: System.out.println(sb.toString());
30: socket.close();
3. ServerSocket类
Socket类代表的是客户端Socket，例如IE浏览器、chrome、火狐、safari等发起的连接。如果你想实现一个服务器应用程序，像HTTP server或者FTP server的话，你就必须使用不同的方法了。这是因为服务端根本不知道客户端会发起请求建立连接，它必须永不停歇的等待客户端请求。为此，你必须使用java.net.ServerSocket类，它是服务端socket的实现。
ServerSocket不同于Socket，服务端的ServerSocket必须一直等着客户端请求的到来。一旦server socket接到连接请求，它必须创建一个Socket实例来处理和客户端的交互。
要创建server socket，你得用ServerSocket类提供的四个构造器之一。它需要你指明IP地址和server socket要监听的端口号。经典的127.0.0.1意味着server socket将监听本机。server socket监听的IP地址通常也叫绑定地址。另一个重要的属性是backlog，它意味着接入的连接请求超过此数值之后server socket就会拒绝后续请求。
public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindingAddress);
值得注意的是，这个构造器的绑定地址必须是java.net.InetAddress类的实例。构造InetAddress对象的简易方法就是调用它的静态方法getByname,并传一个主机名字符创参数，如下所示：
InetAddress.getByName("127.0.0.1");
下面这行代码构造了一个ServerSocket，监听本机8080端口，同时backlog为1：
new ServerSocket(8080, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
一旦ServerSocket实例构造完成，它就可以一直监听在绑定地址的对应端口上等待请求的到来，你需要做的就是调用ServerSocket类的accept方法来启动这个监听过程。这个方法只返回何时产生了连接请求并且返回值是一个Sokcet类的实例。然后通过这个Socket可以发送和接收字节流。
4. 动手实现自己的山寨版web server
这个山寨web server由三个类组成：HttpServer、Request、Response。
HttpServer的main方法创建一个HttpServer实例并调用它的await方法，顾名思义，这个await方法一直等着请求到来，然后处理请求、发送响应信息到客户端。它会一直等，直到程序终止或停机。
这个山寨版的server目前只能发送静态资源，它会在控制台显示HTTP请求的字节流，但不能发送任何响应头，比如data、cookie之类的。
4.1 HTTPServer.java
1: import java.io.File;
2: import java.io.IOException;
3: import java.io.InputStream;
4: import java.io.OutputStream;
5: import java.net.InetAddress;
6: import java.net.ServerSocket;
7: import java.net.Socket;
8:
9: public class HttpServer {
10:
11: /**
12: * WEB_ROOT is the directory where our HTML and other files reside. For this
13: * package, WEB_ROOT is the "webroot" directory under the working directory.
14: * The working directory is the location in the file system from where the
15: * java command was invoked.
16: */
17: public static final String WEB_ROOT = System.getProperty("user.dir") + File.separator + "webroot";
18:
19: // 关机命令
20: private static final String SHUTDOWN_COMMAND = "/SHUTDOWN";
21:
22: // the shutdown command received
23: private boolean shutdown = false;
24:
25: public static void main(String[] args) {
26: HttpServer server = new HttpServer();
27: server.await();
28: }
29:
30: public void await() {
31: ServerSocket serverSocket = null;
32: int port = 8080;
33: try {
34: serverSocket = new ServerSocket(port, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
35: } catch(IOException e) {
36: e.printStackTrace();
37: System.exit(1);
38: }
39: // 轮询是否有请求进来
40: while(!shutdown) {
41: Socket socket = null;
42: InputStream input = null;
43: OutputStream output = null;
44: try {
45: socket = serverSocket.accept();
46: input = socket.getInputStream();
47: output = socket.getOutputStream();
48: // create Request object and parse
49: Request request = new Request(input);
50: request.parse();
51: // create Response object
52: Response response = new Response(output);
53: response.setRequest(request);
54: response.sendStaticResource();
55: // Close the socket
56: socket.close();
57: // check if the previous URI is a shutdown command
58: shutdown = request.getUri().equals(SHUTDOWN_COMMAND);
59: } catch(Exception e) {
60: e.printStackTrace();
61: continue;
62: }
63: }
64: }
65: }
4.2 Request.java
1: package ex01.pyrmont;
2:
3: import java.io.IOException;
4: import java.io.InputStream;
5:
6: public class Request {
7:
8: private InputStream input;
9:
10: private String uri;
11:
12: public Request(InputStream input) {
13: this.input = input;
14: }
15:
16: public void parse() {
17: // Read a set of characters from the socket
18: StringBuffer request = new StringBuffer(2048);
19: int i;
20: byte[] buffer = new byte[2048];
21: try {
22: i = input.read(buffer);
23: } catch(IOException e) {
24: e.printStackTrace();
25: i = -1;
26: }
27: for(int j = 0; j < i; j++) {
28: request.append((char)buffer[j]);
29: }
30: System.out.print(request.toString());
31: uri = parseUri(request.toString());
32: }
33:
34: private String parseUri(String requestString) {
35: int index1, index2;
36: index1 = requestString.indexOf(' ');
37: if(index1 != -1) {
38: index2 = requestString.indexOf(' ', index1 + 1);
39: if(index2 > index1)
40: return requestString.substring(index1 + 1, index2);
41: }
42: return null;
43: }
44:
45: public String getUri() {
46: return uri;
47: }
48: }
49:
4.3 Response.java
1: package ex01.pyrmont;
2:
3: import java.io.File;
4: import java.io.FileInputStream;
5: import java.io.IOException;
6: import java.io.OutputStream;
7:
8: /*
9: * HTTP Response = Status-Line (( general-header | response-header |
10: * entity-header ) CRLF) CRLF [ message-body ] Status-Line = HTTP-Version SP
11: * Status-Code SP Reason-Phrase CRLF
12: */
13: public class Response {
14:
15: private static final int BUFFER_SIZE = 1024;
16:
17: Request request;
18:
19: OutputStream output;
20:
21: public Response(OutputStream output) {
22: this.output = output;
23: }
24:
25: public void setRequest(Request request) {
26: this.request = request;
27: }
28:
29: public void sendStaticResource() throws IOException {
30: byte[] bytes = new byte[BUFFER_SIZE];
31: FileInputStream fis = null;
32: try {
33: File file = new File(HttpServer.WEB_ROOT, request.getUri());
34: if(file.exists()) {
35: fis = new FileInputStream(file);
36: int ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
37: while(ch != -1) {
38: output.write(bytes, 0, ch);
39: ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
40: }
41: } else {
42: // file not found
43: 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>";
44: output.write(errorMessage.getBytes());
45: }
46: } catch(Exception e) {
47: // thrown if cannot instantiate a File object
48: System.out.println(e.toString());
49: } finally {
50: if(fis != null)
51: fis.close();
52: }
53: }
54: }
55:
5. 总结
本文讲解了web server的基本原理，同时代码贴出来了一个粗糙山寨的web server。它只有三个类构成，当然不是全功能的，不过呢，毕竟刚开始，我们会不断的逐步完善这个web server，到本系列结束时，基本上就有一个完整的web server了。
文档信息
- 译者：张大爷
- 原文网址：http://www.cnblogs.com/flance/
- 版权声明：自由转载-非商用-非衍生-保持署名 | Creative Commons BY-NC-ND 3.0
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