网络编程：reactor反应堆_TCP字节流处理和HTTP协议实现

buffer对象

buffer对象：顾名思义，就是一个缓冲区对象，缓存了从套接字接收来的数据以及需要发往套接字的数据。

如果是从套接字接受来的数据，事件处理回调函数在不断地往buffer对象增加数据，同时，应用程序需要不断把buffer对象中的数据处理掉，这样，buffer对象才可以空出新的位置容纳更多的数据。

如果是发往套接字的数据，应用程序不断地往buffer对象增加数据，同时，事件处理回调函数不断调用套接字上的发送函数将数据发送出去，减少buffer对象中的写入数据。

可见，buffer对象是同时可以作为输入缓冲(input buffer)和输出缓冲(output buffer)两个方向使用，不过，这两种情形，写入和读出的对象是有区别的。

下图描述了buffer对象的设计

buffer对象的数据结构：

//数据缓冲区
struct buffer {
    char *data;          //实际缓冲
    int readIndex;       //缓冲读取位置
    int writeIndex;      //缓冲写入位置
    int total_size;      //总大小
};

buffer对象中的writeIndex表示了当前可以写入的位置；readIndex标识了当前可以读出的数据位置，图中红色部分从readIndex到writeIndex的区域是需要读出数据的部分，而绿色部分从writeIndex到缓存的最尾端则是可以写出的部分。

随着时间的推移，当 readIndex 和 writeIndex 越来越靠近缓冲的尾端时，前面部分的 front_space_size 区域变得会很大，而这个区域的数据已经是旧数据，在这个时候，就需要调整一下整个 buffer 对象的结构，把红色部分往左侧移动，与此同时，绿色部分也会往左侧移动，整个缓冲区的可写部分就会变多了。

make_room 函数就是起这个作用的，如果右边绿色的连续空间不足以容纳新的数据，而最左边灰色部分加上右边绿色部分一起可以容纳下新数据，就会触发这样的移动拷贝，最终红色部分占据了最左边，绿色部分占据了右边，右边绿色的部分成为一个连续的可写入空间，就可以容纳下新的数据。下面的一张图解释了这个过程。

make_room 的具体实现：

void make_room(struct buffer *buffer, int size) {
    if (buffer_writeable_size(buffer) >= size) {
        return;
    }
    //如果front_spare和writeable的大小加起来可以容纳数据，则把可读数据往前面拷贝
    if (buffer_front_spare_size(buffer) + buffer_writeable_size(buffer) >= size) {
        int readable = buffer_readable_size(buffer);
        int i;
        for (i = 0; i < readable; i++) {
            memcpy(buffer->data + i, buffer->data + buffer->readIndex + i, 1);
        }
        buffer->readIndex = 0;
        buffer->writeIndex = readable;
    } else {
        //扩大缓冲区
        void *tmp = realloc(buffer->data, buffer->total_size + size);
        if (tmp == NULL) {
            return;
        }
        buffer->data = tmp;
        buffer->total_size += size;
    }
}

当然，如果红色部分占据过大，可写部分不够，会触发缓冲区的扩大操作。这里我通过调用 realloc 函数来完成缓冲区的扩容。

下图对此做了解释:

套接字接收数据处理

套接字接收数据是在 tcp_connection.c 中的 handle_read 来完成的。在这个函数里，通过调用 buffer_socket_read 函数接收来自套接字的数据流，并将其缓冲到 buffer 对象中。之后你可以看到，我们将 buffer 对象和 tcp_connection 对象传递给应用程序真正的处理函数 messageCallBack 来进行报文的解析工作。

int handle_read(void *data) {
    struct tcp_connection *tcpConnection = (struct tcp_connection *) data;
    struct buffer *input_buffer = tcpConnection->input_buffer;
    struct channel *channel = tcpConnection->channel;

    if (buffer_socket_read(input_buffer, channel->fd) > 0) {
        //应用程序真正读取Buffer里的数据
        if (tcpConnection->messageCallBack != NULL) {
            tcpConnection->messageCallBack(input_buffer, tcpConnection);
        }
    } else {
        handle_connection_closed(tcpConnection);
    }
}

在 buffer_socket_read 函数里，调用 readv 往两个缓冲区写入数据，一个是 buffer 对象，另外一个是这里的 additional_buffer，之所以这样做，是担心 buffer 对象没办法容纳下来自套接字的数据流，而且也没有办法触发 buffer 对象的扩容操作。通过使用额外的缓冲，一旦判断出从套接字读取的数据超过了 buffer 对象里的实际最大可写大小，就可以触发 buffer 对象的扩容操作，这里 buffer_append 函数会调用前面介绍的 make_room 函数，完成 buffer 对象的扩容。

int buffer_socket_read(struct buffer *buffer, int fd) {
    char additional_buffer[INIT_BUFFER_SIZE];
    struct iovec vec[2];
    int max_writable = buffer_writeable_size(buffer);
    vec[0].iov_base = buffer->data + buffer->writeIndex;
    vec[0].iov_len = max_writable;
    vec[1].iov_base = additional_buffer;
    vec[1].iov_len = sizeof(additional_buffer);
    int result = readv(fd, vec, 2);
    if (result < 0) {
        return -1;
    } else if (result <= max_writable) {
        buffer->writeIndex += result;
    } else {
        buffer->writeIndex = buffer->total_size;
        buffer_append(buffer, additional_buffer, result - max_writable);
    }
    return result;
}

套接字发送数据处理

当应用程序需要往套接字发送数据时，即完成了 read-decode-compute-encode 过程后，通过往 buffer 对象里写入 encode 以后的数据，调用 tcp_connection_send_buffer，将 buffer 里的数据通过套接字缓冲区发送出去。

int tcp_connection_send_buffer(struct tcp_connection *tcpConnection, struct buffer *buffer) {
    int size = buffer_readable_size(buffer);
    int result = tcp_connection_send_data(tcpConnection, buffer->data + buffer->readIndex, size);
    buffer->readIndex += size;
    return result;
}

如果发现当前 channel 没有注册 WRITE 事件，并且当前 tcp_connection 对应的发送缓冲无数据需要发送，就直接调用 write 函数将数据发送出去。如果这一次发送不完，就将剩余需要发送的数据拷贝到当前 tcp_connection 对应的发送缓冲区中，并向 event_loop 注册 WRITE 事件。这样数据就由框架接管，应用程序释放这部分数据。

//应用层调用入口
int tcp_connection_send_data(struct tcp_connection *tcpConnection, void *data, int size) {
    size_t nwrited = 0;
    size_t nleft = size;
    int fault = 0;

    struct channel *channel = tcpConnection->channel;
    struct buffer *output_buffer = tcpConnection->output_buffer;

    //先往套接字尝试发送数据
    if (!channel_write_event_registered(channel) && buffer_readable_size(output_buffer) == 0) {
        nwrited = write(channel->fd, data, size);
        if (nwrited >= 0) {
            nleft = nleft - nwrited;
        } else {
            nwrited = 0;
            if (errno != EWOULDBLOCK) {
                if (errno == EPIPE || errno == ECONNRESET) {
                    fault = 1;
                }
            }
        }
    }

    if (!fault && nleft > 0) {
        //拷贝到Buffer中，Buffer的数据由框架接管
        buffer_append(output_buffer, data + nwrited, nleft);
        if (!channel_write_event_registered(channel)) {
            channel_write_event_add(channel);
        }
    }

    return nwrited;
}

HTTP 协议实现

在 TCP 的基础上，加入 HTTP 的功能，为此，我们首先定义了一个 http_server 结构，这个 http_server 本质上就是一个 TCPServer，只不过暴露给应用程序的回调函数更为简单，只需要看到 http_request 和 http_response 结构。

typedef int (*request_callback)(struct http_request *httpRequest, struct http_response *httpResponse);

struct http_server {
    struct TCPserver *tcpServer;
    request_callback requestCallback;
};

在 http_server 里面，重点是需要完成报文的解析，将解析的报文转化为 http_request 对象，这件事情是通过 http_onMessage 回调函数来完成的。在 http_onMessage 函数里，调用的是 parse_http_request 完成报文解析。

// buffer是框架构建好的，并且已经收到部分数据的情况下
// 注意这里可能没有收到全部数据，所以要处理数据不够的情形
int http_onMessage(struct buffer *input, struct tcp_connection *tcpConnection) {
    yolanda_msgx("get message from tcp connection %s", tcpConnection->name);

    struct http_request *httpRequest = (struct http_request *) tcpConnection->request;
    struct http_server *httpServer = (struct http_server *) tcpConnection->data;

    if (parse_http_request(input, httpRequest) == 0) {
        char *error_response = "HTTP/1.1 400 Bad Request\r\n\r\n";
        tcp_connection_send_data(tcpConnection, error_response, sizeof(error_response));
        tcp_connection_shutdown(tcpConnection);
    }

    //处理完了所有的request数据，接下来进行编码和发送
    if (http_request_current_state(httpRequest) == REQUEST_DONE) {
        struct http_response *httpResponse = http_response_new();

        //httpServer暴露的requestCallback回调
        if (httpServer->requestCallback != NULL) {
            httpServer->requestCallback(httpRequest, httpResponse);
        }

        //将httpResponse发送到套接字发送缓冲区中
        struct buffer *buffer = buffer_new();
        http_response_encode_buffer(httpResponse, buffer);
        tcp_connection_send_buffer(tcpConnection, buffer);

        if (http_request_close_connection(httpRequest)) {
            tcp_connection_shutdown(tcpConnection);
            http_request_reset(httpRequest);
        }
    }
}

HTTP 通过设置回车符、换行符作为 HTTP 报文协议的边界。

parse_http_request 的思路就是寻找报文的边界，同时记录下当前解析工作所处的状态。根据解析工作的前后顺序，把报文解析的工作分成 REQUEST_STATUS、REQUEST_HEADERS、REQUEST_BODY 和 REQUEST_DONE 四个阶段，每个阶段解析的方法各有不同。

在解析状态行时，先通过定位 CRLF 回车换行符的位置来圈定状态行，进入状态行解析时，再次通过查找空格字符来作为分隔边界

在解析头部设置时，也是先通过定位 CRLF 回车换行符的位置来圈定一组 key-value 对，再通过查找冒号字符来作为分隔边界。

最后，如果没有找到冒号字符，说明解析头部的工作完成。

parse_http_request 函数完成了 HTTP 报文解析的四个阶段:

int parse_http_request(struct buffer *input, struct http_request *httpRequest) {
    int ok = 1;
    while (httpRequest->current_state != REQUEST_DONE) {
        if (httpRequest->current_state == REQUEST_STATUS) {
            char *crlf = buffer_find_CRLF(input);
            if (crlf) {
                int request_line_size = process_status_line(input->data + input->readIndex, crlf, httpRequest);
                if (request_line_size) {
                    input->readIndex += request_line_size;  // request line size
                    input->readIndex += 2;  //CRLF size
                    httpRequest->current_state = REQUEST_HEADERS;
                }
            }
        } else if (httpRequest->current_state == REQUEST_HEADERS) {
            char *crlf = buffer_find_CRLF(input);
            if (crlf) {
                /**
                 *    <start>-------<colon>:-------<crlf>
                 */
                char *start = input->data + input->readIndex;
                int request_line_size = crlf - start;
                char *colon = memmem(start, request_line_size, ": ", 2);
                if (colon != NULL) {
                    char *key = malloc(colon - start + 1);
                    strncpy(key, start, colon - start);
                    key[colon - start] = '\0';
                    char *value = malloc(crlf - colon - 2 + 1);
                    strncpy(value, colon + 1, crlf - colon - 2);
                    value[crlf - colon - 2] = '\0';

                    http_request_add_header(httpRequest, key, value);

                    input->readIndex += request_line_size;  //request line size
                    input->readIndex += 2;  //CRLF size
                } else {
                    //读到这里说明:没找到，就说明这个是最后一行
                    input->readIndex += 2;  //CRLF size
                    httpRequest->current_state = REQUEST_DONE;
                }
            }
        }
    }
    return ok;
}

处理完了所有的 request 数据，接下来进行编码和发送的工作。为此，创建了一个 http_response 对象，并调用了应用程序提供的编码函数 requestCallback，接下来，创建了一个 buffer 对象，函数 http_response_encode_buffer 用来将 http_response 中的数据，根据 HTTP 协议转换为对应的字节流。

可以看到，http_response_encode_buffer 设置了如 Content-Length 等 http_response 头部，以及 http_response 的 body 部分数据。

void http_response_encode_buffer(struct http_response *httpResponse, struct buffer *output) {
    char buf[32];
    snprintf(buf, sizeof buf, "HTTP/1.1 %d ", httpResponse->statusCode);
    buffer_append_string(output, buf);
    buffer_append_string(output, httpResponse->statusMessage);
    buffer_append_string(output, "\r\n");

    if (httpResponse->keep_connected) {
        buffer_append_string(output, "Connection: close\r\n");
    } else {
        snprintf(buf, sizeof buf, "Content-Length: %zd\r\n", strlen(httpResponse->body));
        buffer_append_string(output, buf);
        buffer_append_string(output, "Connection: Keep-Alive\r\n");
    }

    if (httpResponse->response_headers != NULL && httpResponse->response_headers_number > 0) {
        for (int i = 0; i < httpResponse->response_headers_number; i++) {
            buffer_append_string(output, httpResponse->response_headers[i].key);
            buffer_append_string(output, ": ");
            buffer_append_string(output, httpResponse->response_headers[i].value);
            buffer_append_string(output, "\r\n");
        }
    }

    buffer_append_string(output, "\r\n");
    buffer_append_string(output, httpResponse->body);
}

完整的 HTTP 服务器例子

最主要的部分是 onRequest callback 函数，这里，onRequest 方法已经在 parse_http_request 之后，可以根据不同的 http_request 的信息，进行计算和处理。例子程序里的逻辑非常简单，根据 http request 的 URL path，返回了不同的 http_response 类型。比如，当请求为根目录时，返回的是 200 和 HTML 格式。

#include <lib/acceptor.h>
#include <lib/http_server.h>
#include "lib/common.h"
#include "lib/event_loop.h"

//数据读到buffer之后的callback
int onRequest(struct http_request *httpRequest, struct http_response *httpResponse) {
    char *url = httpRequest->url;
    char *question = memmem(url, strlen(url), "?", 1);
    char *path = NULL;
    if (question != NULL) {
        path = malloc(question - url);
        strncpy(path, url, question - url);
    } else {
        path = malloc(strlen(url));
        strncpy(path, url, strlen(url));
    }

    if (strcmp(path, "/") == 0) {
        httpResponse->statusCode = OK;
        httpResponse->statusMessage = "OK";
        httpResponse->contentType = "text/html";
        httpResponse->body = "<html><head><title>This is network programming</title></head><body><h1>Hello, network programming</h1></body></html>";
    } else if (strcmp(path, "/network") == 0) {
        httpResponse->statusCode = OK;
        httpResponse->statusMessage = "OK";
        httpResponse->contentType = "text/plain";
        httpResponse->body = "hello, network programming";
    } else {
        httpResponse->statusCode = NotFound;
        httpResponse->statusMessage = "Not Found";
        httpResponse->keep_connected = 1;
    }

    return 0;
}


int main(int c, char **v) {
    //主线程event_loop
    struct event_loop *eventLoop = event_loop_init();

    //初始tcp_server，可以指定线程数目，如果线程是0，就是在这个线程里acceptor+i/o；如果是1，有一个I/O线程
    //tcp_server自己带一个event_loop
    struct http_server *httpServer = http_server_new(eventLoop, SERV_PORT, onRequest, 2);
    http_server_start(httpServer);

    // main thread for acceptor
    event_loop_run(eventLoop);
}

运行这个程序之后，我们可以通过浏览器和 curl 命令来访问它。你可以同时开启多个浏览器和 curl 命令，这也证明了我们的程序是可以满足高并发需求的。

$curl -v http://127.0.0.1:43211/
*   Trying 127.0.0.1...
* TCP_NODELAY set
* Connected to 127.0.0.1 (127.0.0.1) port 43211 (#0)
> GET / HTTP/1.1
> Host: 127.0.0.1:43211
> User-Agent: curl/7.54.0
> Accept: */*
>
< HTTP/1.1 200 OK
< Content-Length: 116
< Connection: Keep-Alive
<
* Connection #0 to host 127.0.0.1 left intact
<html><head><title>This is network programming</title></head><body><h1>Hello, network programming</h1></body></html>%

小结

主要讲述了整个编程框架的字节流处理能力，引入了 buffer 对象，并在此基础上通过增加 HTTP 的特性，包括 http_server、http_request、http_response，完成了 HTTP 高性能服务器的编写