基于 Linux 的 web 服务器

简介

Linux 下的轻量级 Web 服务器，使用 C++11 开发，架构参考 Github 高星项目 TinyWebServer。参考链接：Tinyweb
。

技术要点：

1. 使用线程池实现高并发。
2. epoll实现IO复用，采用模拟 Proactor 并发模型。
3. 通过状态机解析 HTTP 报文请求。
4. 采用异步日志系统记录服务器运行状态。
5. 使用timerfd定时器接口主动对长时间无操作的连接断开。
6. 允许提供自签名的证书和私 钥使用 openssl 提供 https 服务。

使用 webbench 压测能够实现上万并发连接数据交换。

基本架构：

简单的分为三层：数据层、服务层、连接层。其中数据层负责与MySQL数据库建立连接，进行交互；服务层负责http报文的解析和构建；连接层负责socket监听服务以及连接操作，对于https服务，提供ctx会话环境的构建和ssl连接。

文件结构：

.
├── http 										//提供http报文解析和生成服务
│   ├── httpconn.cpp					
│   ├── httpconn.h							//集成httpRequestParser和httpResponse，并负责提供静态资源托管接口、get和post路由设置函数
│   ├── httpRequestParser.cpp
│   ├── httpRequestParser.h				//http报文解析
│   ├── httpResponse.cpp
│   ├── httpResponse.h				//http报文构建
│   └── README.md
├── log										//异步日志，来自[Ring Log]([email protected]:LeechanX/Ring-Log.git)，进行了一点修改
│   ├── Makefile
│   ├── README.md
│   ├── rlog.cc
│   ├── rlog.h
│   └── rlog.o
├── make.sh
├── mysql								//数据库连接池，以及提供数据库操作函数
│   ├── connect_pool.cpp
│   └── connect_pool.h			//单例模式，使用GetConnection获取数据库连接指针，ReleaseConnection放回数据库连接池。提供ConnectRAII对象管理数据库连接，使用RAII保证数据连接会安全放回连接池。使用init函数初始化数据库连接池对象，并且保证init函数只会调用一次。
├── server.cpp
├── server.h							//连接层，负责监听socket连接，将连接放入线程池以及主动断开长时间未操作的连接，webserver类用来定义一个完整的web服务器对象。
├── threadPool						//线程池类，为连接层提供线程池，使用模板实现，便于扩展（可以提供除http外的其他服务）
│   ├── README.md
│   └── threadPool.h
└── timer							//定时器类，为连接层提供定时断连服务。
    ├── README.md
    ├── timer_fd.cpp
    └── timer_fd.h

一、线程池模板类threadPool

使用模板便于扩展，之后可以添加除了http之外的其他服务。
线程同步采用了c++11提供的、，线程库采用了c++11的thread。

技术栈

1.public继承std::enable_shared_from_this>

使用智能指针管理threadPool对象，当对象析构时，停止线程循环，执行线程回收工作。

2.智能指针shared_ptr

init()函数负责初始化线程池对象，构建对应数目的线程，并关联线程函数work()，传入线程池模板类对应的this的智能指针（采用shared_from_this），在work中就能调用threadPool对象的工作队列workList进行处理。

3. 异常捕获try

对于thread线程创建增加异常捕获，若线程创建失败，则不需要把线程添加进m_threadList，整个程序也不会因此崩溃，只是实际上创建的线程会少于预期。

关键代码段

//增加异常捕获，如果当前线程创建失败，则不需要添加进m_threadList
try{
		//把当前对象的智能指针传入work函数，因为work函数必须是静态函数，而静态函数没有对象的this指针，所以使用这种折中的方法
        std::shared_ptr<std::thread> t = std::make_shared<std::thread>(work, threadPool<T>::shared_from_this());
        temp.swap(t);
}
catch(const std::system_error &e){
    //报告错误
    LOG_FATAL("Create thread eroror : %s", e.what());
    continue;
}
....
//work函数
template<typename T>
void threadPool<T>::work(std::shared_ptr<threadPool<T>> request){
	//使用threadPool对象的run方法，也就是业务循环段
    request->run();
}

二、http服务，http、http_request、http_response类

http类整合了：http报文读取：read_once、http报文发送：write_once()、http请求报文解析和响应报文构建：process()

• http类中的static std::map staticSource负责静态资源的托管，
• 负责Get请求的路由设置：static std::map registerGet;
• 负责POST请求的路由设置：static std::map registerPost;

其中http报文解析使用了http_request类专门负责报文解析模块，http响应报文构建专门使用了http_response类负责响应报文构建。

流程：

1. 使用init(int epollfd, int sockfd, SSL* ssl)初始化，传入epoll、socket文件描述符，以及SSL*，当SSL*不为空时，认为执行https服务，空时执行http服务。
2. 使用http::read_once从socket中读取http请求报文，并对读取情况进行判定，read_once返回结果是READ_STAT对象，

• enum class READ_STAT{OK, BAD, CLOSE};分别代表读取成功、失败以及对方关闭连接。

3. 成功读取http请求报文后使用process()函数，process()函数首先对报文进行解析，解析函数返回HTTP_CODE类型对象，根据不同的解析结果生成不同的响应报文，除了“报文完整”，其他都是错误信息，对于“报文完整”的情况，会跳跳转get_request()函数，分别执行GET请求和POST的事务，并构建响应报文。

//解析报文
HTTP_CODE code = this->request_parase.parser(this->m_message);
....
//HTTP报文解析结果：报文不完整，报文完整，报文错误, 内部错误（兜底）
enum class HTTP_CODE{OPEN_REQUEST = 0, GET_REQUEST, BAD_REQUEST, INTERNAL_ERROR};

三、定时器类timefdList

timefdList类维护一个定时器列表std::list>> m_list，该m_list维护一个智能指针，指针指向vector，vector是一个长度为2的数组，分别存储socket文件描述符和timerfd_create创建的定时器对象文件描述符。

接口：

• void add(std::shared_ptr)：负责往定时器列表添加需要监听的定时器对象
• void adjust(std::shared_ptr data, int n)：调整对应计时器，超时时间后移
• void delete_timer(std::shared_ptr data)：删除对应的计时器。

操作流程：

• 当创建一个新的socket连接时，同时往定时器类中添加一个定时器对象，并在epoll中注册响应的定时器对象文件描述符的读操作。
• 每次读写socket都会更新对应socket的定时器超时时间。
• 当定时器文件描述符可读时，并不直接关闭对应的socket，而是给一个标记，等这次epoll_wait返回的事件都处理完毕，调用timefdList的tick方法处理所有超时连接。

四、连接层，webserver类

websever负责整合所有功能，主要其监听连接，并发模型使用模拟proactor

接口：

• bool webListen(std::string ip, int port);：监听对应的端口，成功返回true，失败返回false
• void run(int);：开始运行，输入一个int类型参数，代表socket允许的无操作时间。
• bool openhttps(const char* cacert, const char* key, const char* passwd);：开启https，输入ca文件，私钥文件和密码，正确初始化返回true，失败返回false。
• void addStaticSource(const std::string url, const std::string fileName);：添加静态资源
• void addGet(const std::string, void (func) (http_request&, http_response&, MYSQL));：添加Get请求路由
• void addPost(const std::string, void (func) (http_request&, http_response&, MYSQL));：添加POST请求路由

操作流程：

执行首先使用webListen设置监听端口，如果开启https，则需要使用openhttps传入响应文件，addStaticSource、addGet、addPost添加静态资源和GET、POST路由。

当执行run之后，服务器主循环开始，主循环epoll_wait等待epoll注册事件发生，对于接收到的事件分为4种类型：

1. 新连接，服务器监听到新的socket连接请求，accept接收请求，若开启了https，则建立ssl连接。往epoll注册新连接的读事件，并创建一个定时器，epoll注册定时器读事件。
2. socket读事件：更新定时器，读取socket中的信息，根据读取到的结果选择是否把http对象放入请求队列，让线程池解析报文内容并生成响应报文。
3. socket写事件：更新定时器，往socket写响应报文。
4. 定时器定时事件：并不会立即处理定时事件，而是把alarm_event标记置true，等到此次epoll事件处理完毕，再调用定时器列表的tick方法统一关闭超时的socket连接。