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

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首先我們先來(lái)看一下如何創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)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(gè) TCP 服務(wù)器非常簡(jiǎn)單 ，只需要調(diào)用幾個(gè)函數(shù)就行。最后進(jìn)程會(huì)阻塞在 accept 等待連接的到來(lái)，我們?cè)谝粋€(gè)死循環(huán)中串行地處理每個(gè)請(qǐng)求。顯然，這樣的效率肯定非常低，因?yàn)槿绻覀兪褂脗鹘y(tǒng)的 read / write 函數(shù)的話，它是會(huì)引起進(jìn)程阻塞的，這樣就會(huì)導(dǎo)致多個(gè)請(qǐng)求需要排隊(duì)進(jìn)行處理。我們?cè)诖嘶A(chǔ)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(huì)涉及到并發(fā) / 同步的問(wèn)題，所以需要使用互斥變量和條件變量來(lái)處理這些問(wèn)題。上面的代碼創(chuàng)建了幾個(gè)線程，然后在每個(gè)線程中執(zhí)行 worker 函數(shù)來(lái)處理請(qǐng)求，除此之外，用 requests 變量來(lái)表示請(qǐng)求隊(duì)列，該變量會(huì)由主線程和子線程一起訪問(wèn)。具體是由主線程生產(chǎn)任務(wù)，子線程消費(fèi)。在了解子線程邏輯之前先看看主線程代碼的改動(dòng)。

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(dāng)主線程收到請(qǐng)求時(shí)，自己不處理，而是添加到請(qǐng)求隊(duì)列讓子線程處理，因?yàn)樽泳€程沒(méi)有任務(wù)處理時(shí)會(huì)自我阻塞，所以主線程需要喚醒一個(gè)線程來(lái)處理新的請(qǐng)求。接下來(lái)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(méi)有任務(wù)則等待，否則取出任務(wù)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(wù)隊(duì)列中取出任務(wù)，具體來(lái)說(shuō)就是連接對(duì)應(yīng)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(méi)有太大意義，所以我們基于這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一個(gè) HTTP 服務(wù)，讓它可以處理 HTTP 請(qǐng)求。當(dāng)然我們手寫(xiě)一個(gè)優(yōu)秀的 HTTP 解析器并非易事，所以我們直接使用開(kāi)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(xì)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(shí)現(xiàn)的 HTTP Parser Wrapper，主要是對(duì) llhttp 的封裝，我們看到 HTTP_Parser 里有很多回調(diào)鉤子，對(duì)應(yīng)的就是 llhttp 提供的，另外 HTTP_Parser 支持調(diào)用方傳入鉤子，也就是 parser_callback 所定義的。當(dāng) llhttp 回調(diào) HTTP_Parser 時(shí)，HTTP_Parser 在合適的時(shí)機(jī)就會(huì)調(diào)用 parser_callback 里的回調(diào)，比如在解析完 HTTP Header 時(shí)，或者解析完整個(gè)報(bào)文時(shí)。具體的解析過(guò)程是當(dāng)調(diào)用方收到數(shù)據(jù)時(shí)，執(zhí)行 parse 函數(shù)，然后 llhttp 就會(huì)不斷地調(diào)用我們傳入的鉤子。了解了 HTTP 解析器的大致使用，我們來(lái)看看怎么在項(xiàng)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(guān)鍵的代碼，當(dāng)我們收到數(shù)據(jù)時(shí)，我們通過(guò) parser.parse(buf, ret) 調(diào)用 llhttp 進(jìn)行解析，llhttp 就會(huì)不斷地回調(diào)鉤子函數(shù)，當(dāng)解析完一個(gè)報(bào)文后，on_body_complete 回調(diào)就會(huì)被執(zhí)行，在這里我們就可以對(duì) HTTP 請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，比如這里返回一個(gè) 200 的響應(yīng)報(bào)文，然后關(guān)閉連接。因?yàn)橥ㄟ^(guò) llhttp 我們可以拿到具體的請(qǐng)求 url，所以我們還可以進(jìn)一步拓展，根據(jù) url 進(jìn)行不同的處理。

到此為止，就實(shí)現(xiàn)了一個(gè) HTTP 服務(wù)器了 ，在早期的時(shí)候，服務(wù)器也是采用這種多進(jìn)程 / 多線程的處理方式，現(xiàn)在有了多路復(fù)用等技術(shù)后，很多服務(wù)器都是基于事件驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)了。但是主線程接收請(qǐng)求，分發(fā)給子線程處理這種思想在有些服務(wù)器也還是存在的，比如 Node.js，只不過(guò) Node.js 中是進(jìn)程間進(jìn)行傳遞。本文大概介紹到這里，服務(wù)器技術(shù)是非常復(fù)雜、有趣的方向，上層的架構(gòu)也隨著操作系統(tǒng)的能力不斷在變化，本文只是作一個(gè)簡(jiǎn)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(gòu)圖。

新聞標(biāo)題：利用多線程和C++實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的HTTP服務(wù)器
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