利用C语言实现http服务器(Linux)
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>
<body background="1.jpg">
<center>
<h2>页面走丢了
</center>
</body>
</html>
4.2测试及运行结果
为了测试http服务器是否能够正常运行，并且实现上文提到的功能，分别采用了PC端和移动手机端进行网页测试。
本次测试用例及预期结果如下表所示：
表4-1 测试用例及结果
首先PC端在浏览器地址栏输入服务器所在的IP地址进行访问，可以成功获取到服务器端的index页面，如图所示。
点击下一页，跳转到test页面。如图所示：
在访问地址后随意追加错误访问信息，即访问客户端不存在的资源，得到404err页面。如图所示：
访问客户端存在的资源，读取到的相应的资源。例如输入1.116.157.150\3.jpg或2.jpg。得到图片内容，如图所示：
移动手机端测试同理，同样可以得到相应的结果如下图所示：
最后，为测试http服务器端的并发性，同时使用多个客户端进行连接，同时访问服务器端的资源，均可正常运行。服务器端打印的部分请求信息如下图：
通过测试结果显示，本http服务器实现了对外发布的静态资源的功能，并且对于错误的访问信息可以进行处理回复。并且，通过多用户同时访问测试结果显示，该服务器具有较好的并发性，能够满足一定客户端同时请求资源的需求。
到此这篇关于利用C语言实现http服务器(Linux)的文章就介绍到这了,更多相关C语言 http服务器内容请搜索编程网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持编程网！
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