利用C语言实现http服务器(Linux)

2022-07-26 14:24:08 作者：baixingyubxy

本文将利用C语言实现一个轻量级的http服务器，使用Reactor模式，即主线程只负责监听文件描述符上是否有事件发生，有的话立即将该事件通知工作线程，感兴趣的可以了解一下

这篇文章是我的生产实习报告，在Linux操作系统上实现的一个简单的HTTP服务器，也算是一个小项目。请大家多多指教。

一、实习目的

本次实习紧紧围绕Linux操作系统基础知识展开，主要学习了Linux系统的常用命令、gcc编译链接过程、多线程通信和同步技术、socket网络通信、HTTP服务器等内容。与此同时，在老师的带领下进行实操训练，例如：编写Makefile文件管理工程、实现静态库和动态库、模仿系统bash实现自己的命令解释器、编写多线程程序并实现同步、实现TCP/UDP服务器端和客户端进行通信等。

最后通过独立完成一个基于Linux平台C语言编写的http服务器，巩固课程学到的Linux平台上的编程规范、技术和技巧，增强对于Linux操作系统的熟练度，培养我们编写较大型程序的能力，培养底层软件开发的能力，并为将来从事Linux平台开发、嵌入式开发等相对高端的软件开发工作打下基础。

本次实习具体目的如下：

（1）掌握并熟练使用Linux操作系统常用命令；

（2）熟练使用vim、gcc编译器、gdb等工具在Linux平台上进行程序的编写、编译以及调试；

（3）使用C语言编写轻量级http服务器实现发布静态页面功能；

（4）采用线程池和I/O复用方法实现同时处理多个客户端请求。

二、实习项目及内容

2.1开发平台

本项目是基于Linux系统C语言实现的http服务器，开发环境如下：

开发平台：腾讯云服务器

操作系统：Ubuntu Server 20.04 LTS 64bit

CPU：2核

内存：4GB

系统盘：60GB SSD云硬盘

2.2项目功能

本项目设计的http服务器是一个轻量级的服务器，使用Reactor模式，即主线程只负责监听文件描述符上是否有事件发生，有的话立即将该事件通知工作线程。除此之外，主线程不做其他实质性的工作。读写数据，接受新的连接，以及处理客户请求均在工作线程中完成。

本项目的基本功能如下：

（1）能接收客户端的GET请求；

（2）能够解析客户端的请求报文，根据客户端要求找到相应的资源；

（3）能够回复http应答报文；

（4）能够读取服务器中存储的文件，并返回给请求客户端，实现对外发布静态资源；

（5）使用I/O复用来提高处理请求的并发度；

（6）服务器端支持错误处理，如要访问的资源不存在时回复404错误等。

2.3技能储备

为了完成本项目，实现本项目的具体功能，需要具有一定的技能储备作为技术支撑。

首先应该掌握Linux操作系统的常用命令，C语言基础，熟练使用vim、gcc编译器、gdb等工具，Linux平台上进行程序的编写、编译以及调试能力，socket网络通信的编程能力，I/O复用理论知识以及编程能力，多线程编程能力，以及一定的HTML语言能力。

三、项目设计

3.1设计概述

本项目是基于Linux操作系统，使用C语言实现的轻量级http服务器。使用socket网络编程技术实现服务器端和客户端之间的通信。同时，为了提高本服务器的并发处理性能，本次http服务器设计使用Reactor模式。通过I/O复用和线程池相结合，实现同时响应多个客户端的请求，保证http服务器的并发性。

3.2 Reactor模式

Reactor模式是指主线程只负责监听文件描述符上是否有事件发生，有的话立即将该事件通知工作线程。除此之外，主线程不做其他实质性的工作。读写数据，接受新的连接，以及处理客户请求均在工作线程中完成。

工作流程如下：

（1）主线程往epoll内核事件表中注册socket上的读就绪事件。

（2）主线程调用epoll_wait等待socket上有数据可读。

（3）当socket上有数据可读时，epoll_wait 通知主线程。主线程则将socket可读事件放入消息队列。

（4）一旦放入消息队列便创建相应的线程即工作线程，在线程函数中处理客户端信息，然后往epoll内核事件表中注册该socket上的写就绪事件。

（5）主线程调用epoll_ wait 等待socket可写。

（6）当socket可写时，epoll _wait 通知主线程。主线程将socket可写事件放入消息队列。

（7）创建工作线程，往socket上写入服务器处理客户请求的结果。

3.3 socket网络编程

本项目通过socket网络编程技术实现http服务器端和客户端实现通信。并且采用的是TCP协议。

TCP 提供的是面向连接的、可靠的、字节流服务。TCP 的服务器端和客户端编程流程如下图：

3.4 http服务器应答报文设计

如果客户端请求响应成功，则想客户端发送成功应答报文。如下表所示：

表3-1 请求成功的应答报文

如果客户端请求响应失败，例如服务器端没有客户端所请求的资源，则回复失败报文。如下表所示：

表3-2 请求失败应答报文

四、代码实现及运行结果

4.1主要功能实现

4.1.1 主函数

int main()
{
    signal(SIGPIPE,sig_fun);
    sockfd = socket_init();//调用创建套接字函数
    if ( sockfd == -1 )
    {
        exit(0);
    }
    msgid = msgget((key_t)1234,IPC_CREAT|0600);//创建消息队列
    if ( msgid == -1 )
    {
        exit(0);
    }
    pthread_t id[4];
    for( int i = 0; i < 4; i++ )    //循环创建线程池
    {
        pthread_create(&id[i],NULL,loop_thread,NULL);
    }    
    epfd = epoll_create(MAXFD);//创建内核事件表
    if ( epfd == -1 )
    {
        printf("create epoll err\n");
        exit(0);
}
epoll_add(epfd,sockfd);//调用封装的函数添加描述符和事件
  struct epoll_event evs[MAXFD];
    while( 1 )
    {
        int n = epoll_wait(epfd,evs,MAXFD,-1);//获取就绪描述符
        if( n == -1 )
        {
            continue;
        }
else    
        {
            struct mess m;
            m.type = 1;
            for(int i = 0; i < n; i++ )
            {
                m.c = evs[i].data.fd;
                if ( evs[i].events & EPOLLIN )
                {
                    msgsnd(msgid,&m,sizeof(int),0); //向消息队列发送消息
                }
            }
        }
    }
}

主函数中主要调用各个封装好的方法函数，首先调用创建套接字函数，创建套接字，然后创建消息队列。接着创建线程池，子线程同时执行loop_thread线程函数，将在 msgrcv处阻塞，等待获取消息队列中的消息。主线程调用epoll_create方法创建内核事件表，调用epoll_add函数添加描述符和事件。接着使用epoll_wait方法获取就绪描述符，一旦获取到就绪描述符便向消息队列中发送消息，便可以解除子线程中消息队列的阻塞，执行子线程中的程序，连接客户端，实现通信。

4.1.2创建套接字函数

int socket_init()
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if ( sockfd == -1 )
    {
        return -1;
    }
    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(80);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
 if ( res == -1 )
    {
        printf("bind err\n");
        return -1;
    }
    res = listen(sockfd,5);
    if ( res == -1 )
    {
        return -1;
    }
    return sockfd;
}

将初始化创建套接字函数封装。

4.1.3线程函数

 void* loop_thread(void*  arg)
{
    while( 1 )
    {
        struct mess m;
        msgrcv(msgid,&m,sizeof(int),1,0);//从消息队列中读取消息
        int c = m.c;
        if ( c == sockfd )
        {
            struct sockaddr_in caddr;
            int len = sizeof(caddr);
            int cli = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
            if ( cli < 0 )
            {
                continue;
            }
            epoll_add(epfd,cli);
        }
        else
        {
            char buff[1024] = {0};
            int n = recv(c,buff,1023,0);
             if ( n <= 0 )
            {
                epoll_del(epfd,c);//调用移除描述符函数
                close(c);
                printf("close\n");
                continue;
            }
            char* filename = get_filename(buff);//调用资源名获取函数
            if ( filename == NULL )
            {
                send_404status(c);//调用发送错误应答报文函数
                epoll_del(epfd,c);//调用移除描述符函数
                close(c);
                continue;
            }
            printf("filename:%s\n",filename);

            if ( send_httpfile(c,filename) == -1 )//调用发送正确应答报文函数
            {
                printf("主动关闭连接\n");
                epoll_del(epfd,c);
                close(c);
                continue;
            }
        }
        epoll_mod(epfd,c);//调用重置函数
    }
}

线程将在 msgrcv处阻塞，等待获取消息队列中的消息，判断描述符类型，进行accept操作或recv操作。收到客户端请求数据后再调用get_filename函数获取客户端请求的资源名称，再判断发送错误或者正确应答报文。

4.1.4封装epoll函数

//添加描述符函数
void epoll_add(int epfd,int fd)
{
    struct epoll_event ev;
    ev.data.fd = fd;
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLONESHOT;

    if ( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&ev) == -1)
    {
        printf("epoll add err\n");
    }
}
//移除描述符函数
void epoll_del(int epfd, int fd )
{
    if ( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,NULL) == -1 )
    {
        printf("epoll del err\n");
    }
}
//重置描述符函数
void epoll_mod(int epfd, int fd)
{
    struct epoll_event ev;
    ev.data.fd = fd;
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLONESHOT;
    if ( epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ev) == -1 )
    {
        printf("epoll mod err\n");
    }
}

4.1.5获取资源名函数

char* get_filename(char buff[])
{   char* ptr = NULL;
    char * s = strtok_r(buff," ",&ptr);
    if ( s == NULL )
    {
        printf("请求报文错误\n");
        return NULL;
    }
    printf("请求方法:%s\n",s);
    s = strtok_r(NULL," ",&ptr);
    if ( s == NULL )
    {
        printf("请求报文 无资源名字\n");
        return NULL;
    }
    if ( strcmp(s,"/") == 0 )
    {
        return "/index.html";
    }
    return s;
}

通过这个函数来解析客户端请求报文，获取资源名称。

4.1.6发送正确应答报文函数

int  send_httpfile(int c, char* filename)
{
    if ( filename == NULL || c < 0 )
    {
        send(c,"err",3,0);
        return -1 ;
    }

    char path[128] = {PATH};
    strcat(path,filename);//  /home/ubuntu/ligong/day12/index.hmtl
    int fd = open(path,O_RDONLY);
    if ( fd == -1 )
    {
        //send(c,"404",3,0);
        send_404status(c);
        return -1;
    }

    int size = lseek(fd,0,SEEK_END);
    lseek(fd,0,SEEK_SET);
    char head_buff[512] = {"HTTP/1.1 200 OK\r\n"};
    strcat(head_buff,"Server: myhttp\r\n");
    sprintf(head_buff+strlen(head_buff),"Content-Length: %d\r\n",size);
    strcat(head_buff,"\r\n");//分隔报头和数据 空行
    send(c,head_buff,strlen(head_buff),0);
    printf("send file:\n%s\n",head_buff);

    int num = 0;
    char data[1024] = {0};
    while( ( num = read(fd,data,1024)) > 0 )
    {
        send(c,data,num,0);
    }
    close(fd);

    return 0;
}

如果客户请求资源可以正常访问，则调用该函数发送应答报文。

4.1.7发送错误应答报文函数

int  send_404status(int c)
{
    int fd = open("err404.html",O_RDONLY);
    if ( fd == -1 )
    {
        send(c,"404",3,0);
        return 0;
    }

    int size = lseek(fd,0,SEEK_END);
    lseek(fd,0,SEEK_SET);
    char head_buff[512] = {"HTTP/1.1 404 Not Found\r\n"};
    strcat(head_buff,"Server: myhttp\r\n");
    sprintf(head_buff+strlen(head_buff),"Content-Length: %d\r\n",size);
    strcat(head_buff,"\r\n");//分隔报头和数据 空行
    send(c,head_buff,strlen(head_buff),0);

    char data[1024] = {0};
    int num = 0;
    while( ( num = read(fd,data,1024)) > 0 )
    {
        send(c,data,num,0);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

如果客户端访问的在服务器端资源不存在，则调用该函数发送应答报文。

4.1.8 index.htlm

<html>
     <head>
         <meta charset=utf8>
          <title>baixingyu</title>
          </head>
      <body background="R-C.jpg">
             <center>
                 <h2>bxy</h2>
                 </center>
                <a href="test.html">下一页</a>
                </body>
      </html>

4.1.9 test.html

 <html>
      <head>
         <meta charset=utf8>
         <title>测试</title>
          </head>
         <body>
             <center>
                 <h2>小狗小狗
                 </center>
                   <a href="index.html">返回</a>
              </body>
 </html>

4.1.10 404err.html

 <html>
     <head>
          <meta charset=utf8>
          <title>访问失败</title>
          </head>
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              <center>
                  <h2>页面走丢了
                  </center>
              </body>
</html>