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前言：服務器是現(xiàn)代軟件不可或缺的一部分，而服務器的技術也是非常復雜和有趣的方向。隨著操作系統(tǒng)不斷地發(fā)展，服務器的底層架構也在不斷變化。本文介紹一種使用 C++ 和 多線程實現(xiàn)的簡單 HTTP 服務器。

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首先我們先來看一下如何創(chuàng)建一個服務器。

int main() 
{ 
    int server_fd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    int on = 1;
    setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));
    if (server_fd < 0) { 
        perror("create socket error"); 
        goto EXIT;
    }
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family       = AF_INET;
    server_addr.sin_port         = htons(8888);
    server_addr.sin_addr.s_addr  = htonl(INADDR_ANY);
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) { 
        perror("bind address error"); 
        goto EXIT;
    }
    if (listen(server_fd, 511) < 0) { 
        perror("listen port error"); 
        goto EXIT;
    }
    while(1) {
        int connfd = accept(server_fd, nullptr, nullptr);
        if (connfd < 0) 
        { 
            perror("accept error"); 
            continue;
        }
        // 處理
    }
    close(server_fd);
    return 0;
EXIT:
    exit(1); 
}

我們看到根據(jù)操作系統(tǒng)提供的 API，創(chuàng)建一個 TCP 服務器非常簡單 ，只需要調用幾個函數(shù)就行。最后進程會阻塞在 accept 等待連接的到來，我們在一個死循環(huán)中串行地處理每個請求。顯然，這樣的效率肯定非常低，因為如果我們使用傳統(tǒng)的 read / write 函數(shù)的話，它是會引起進程阻塞的，這樣就會導致多個請求需要排隊進行處理。我們在此基礎上利用多線程提高一下效率。

std::thread threads[MAX_THREAD];
std::condition_variable condition_variable;
std::deque requests;
std::mutex mutex;
for (int i = 0; i < MAX_THREAD; i++) {
    threads[i] = std::thread(worker, &mutex, &condition_variable, &requests);
}

多線程就會涉及到并發(fā) / 同步的問題，所以需要使用互斥變量和條件變量來處理這些問題。上面的代碼創(chuàng)建了幾個線程，然后在每個線程中執(zhí)行 worker 函數(shù)來處理請求，除此之外，用 requests 變量來表示請求隊列，該變量會由主線程和子線程一起訪問。具體是由主線程生產(chǎn)任務，子線程消費。在了解子線程邏輯之前先看看主線程代碼的改動。

while(1) {
      int connfd = accept(server_fd, nullptr, nullptr);
      if (connfd < 0) 
      { 
          perror("accept error"); 
          continue;
      }
      {
          std::lock_guard lock(mutex);
          requests.push_back(connfd);
          condition_variable.notify_one();
      }
  }

我們看到當主線程收到請求時，自己不處理，而是添加到請求隊列讓子線程處理，因為子線程沒有任務處理時會自我阻塞，所以主線程需要喚醒一個線程來處理新的請求。接下來看看子線程的邏輯。

void worker(std::mutex *mutex,
            std::condition_variable *condition_variable,
            std::deque *requests) {
    int connfd;
    while (true) {
        {
            std::unique_lock lock(*mutex);
            // 沒有任務則等待，否則取出任務處理
            while ((*requests).size() == 0)
            {
                (*condition_variable).wait(lock);
            }
            connfd = (*requests).front();
            (*requests).pop_front();
        }
        char buf[4096];
        int ret;
        while (1) {
            memset(buf, 0, sizeof(buf));
            int bytes = read(connfd, buf, sizeof(buf)); 
            if (bytes <= 0) {
                close(connfd);
            } else {
                write(connfd, buf, bytes);
            }
        } 
    }
}

子線程不斷從任務隊列中取出任務，具體來說就是連接對應的文件描述符，然后不斷讀取里面的數(shù)據(jù)，最后返回給客戶端。但是這樣的功能顯然沒有太大意義，所以我們基于這個基礎上實現(xiàn)一個 HTTP 服務，讓它可以處理 HTTP 請求。當然我們手寫一個優(yōu)秀的 HTTP 解析器并非易事，所以我們直接使用開源的就好，這里選擇的是 llhttp，這是 Node.js 所使用的 HTTP 解析器。這里就不具體羅列細節(jié)，大概介紹一下 llhttp 的用法。

typedef void (*p_on_headers_complete)(on_headers_complete_info, parser_callback);
typedef void (*p_on_body_complete)(on_body_complete_info, parser_callback);
typedef void (*p_on_body)(on_body_info, parser_callback);
struct parser_callback {
    void * data;
    p_on_headers_complete on_headers_complete;
    p_on_body on_body;
    p_on_body_complete on_body_complete;
};
class HTTP_Parser {
    public:
        HTTP_Parser(llhttp_type type, parser_callback callbacks = {});
        int on_message_begin(llhttp_t* parser);
        int on_status(llhttp_t* parser, const char* at, size_t length);
        int on_url(llhttp_t* parser, const char* at, size_t length);
        int on_header_field(llhttp_t* parser, const char* at, size_t length);
        int on_header_value(llhttp_t* parser, const char* at, size_t length);
        int on_headers_complete(llhttp_t* parser);
        int on_body(llhttp_t* parser, const char* at, size_t length);
        int on_message_complete(llhttp_t* parser);
        int parse(const char* data, int len);
        int finish();
        void print();
};

HTTP_Parser 是我自己實現(xiàn)的 HTTP Parser Wrapper，主要是對 llhttp 的封裝，我們看到 HTTP_Parser 里有很多回調鉤子，對應的就是 llhttp 提供的，另外 HTTP_Parser 支持調用方傳入鉤子，也就是 parser_callback 所定義的。當 llhttp 回調 HTTP_Parser 時，HTTP_Parser 在合適的時機就會調用 parser_callback 里的回調，比如在解析完 HTTP Header 時，或者解析完整個報文時。具體的解析過程是當調用方收到數(shù)據(jù)時，執(zhí)行 parse 函數(shù)，然后 llhttp 就會不斷地調用我們傳入的鉤子。了解了 HTTP 解析器的大致使用，我們來看看怎么在項目里使用。

parser_callback callback = {
            &connfd,
            [](on_body_complete_info info, parser_callback callback) {
                int* connfd = (int *)callback.data;
                const char * data = "HTTP/1.1 200 OK\r\nServer: multi-thread-server\r\ncontent-length: 11\r\n\r\nhello:world\r\n\r\n";
                write(*connfd, data, strlen(data));
                close(*connfd);
            },
        };
        HTTP_Parser parser(HTTP_REQUEST, callback);
        char buf[4096];
        int ret;
        while (1) {
            memset(buf, 0, sizeof(buf));
            int error = 0;
            ret = read(connfd, buf, sizeof(buf)); 
            parser.parse(buf, ret);
        }

這里只列出關鍵的代碼，當我們收到數(shù)據(jù)時，我們通過 parser.parse(buf, ret) 調用 llhttp 進行解析，llhttp 就會不斷地回調鉤子函數(shù)，當解析完一個報文后，on_body_complete 回調就會被執(zhí)行，在這里我們就可以對 HTTP 請求進行響應，比如這里返回一個 200 的響應報文，然后關閉連接。因為通過 llhttp 我們可以拿到具體的請求 url，所以我們還可以進一步拓展，根據(jù) url 進行不同的處理。

到此為止，就實現(xiàn)了一個 HTTP 服務器了 ，在早期的時候，服務器也是采用這種多進程 / 多線程的處理方式，現(xiàn)在有了多路復用等技術后，很多服務器都是基于事件驅動來實現(xiàn)了。但是主線程接收請求，分發(fā)給子線程處理這種思想在有些服務器也還是存在的，比如 Node.js，只不過 Node.js 中是進程間進行傳遞。本文大概介紹到這里，服務器技術是非常復雜、有趣的方向，上層的架構也隨著操作系統(tǒng)的能力不斷在變化，本文只是作一個簡單的探索和興趣罷了，具體代碼在 https://github.com/theanarkh/multi-thread-server。下面是架構圖。

當前名稱：利用多線程和C++實現(xiàn)一個簡單的HTTP服務器
URL地址：http://www.5511xx.com/article/djigoih.html