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Linux多线程Web服务器（C++实现）-创新互联

本文实现的是基于Reactor模式+epoll（边缘触发）+非阻塞socket+非阻塞IO+线程池的Web服务器，可以处理GET、POST两种请求，完成展示主页、获取图片、获取视频、登录及注册共五种功能。

创新互联公司作为成都网站建设公司，专注网站建设、网站设计，有关企业网站设计方案、改版、费用等问题，行业涉及阳光房等多个领域，已为上千家企业服务，得到了客户的尊重与认可。

原理图：

上图为本文实现的服务器的原理图，采用了单Reactor多线程的模式，在主线程中用epoll监听一个listenFd与多个connFd。

  • 若发生建立连接的事件，则交给accept单元处理，再把生成的connFd传给epoll管理；

  • 若发生可读\可写事件，则添加到线程池的任务队列中，由池中空闲的子线程拿取任务并处理；

  • 此外，若是客户端请求涉及数据库文件，则还需要从数据库连接池中拿出一个空闲的数据库连接，通过这个连接进行数据库文件的增删查改操作。

本文实现的服务器还采用了epoll的边缘触发模式，相比于水平触发减少了更多的epoll系统调用次数，在高并发的情况下效率更高。下面就ET(边缘触发)和LT(水平)触发进行介绍，并给出基于此实现的读写函数。

关于上图的详解：彻底学会使用epoll(一)——ET模式实现分析

因为在ET模式下，如果read一次没有读尽buffer中的数据，那么下次将得不到读就绪的通知，造成buffer中已有的数据无机会读出，除非有新的数据再次到达，write也同理。所以为了解决这一问题，就需要在读的时候尽力去读，写的时候尽力去写，即使用while循环去读写，直至出错或读写完毕。

使用while循环读写见： HTTP连接（读取请求+解析请求+生成响应+回送响应）
循环读：ssize_t HttpConn::read(int* errno_)
循环写：ssize_t HttpConn::write(int* errno_)

使用while循环去读写时，如果是阻塞IO就会因为 无数据可读/没空间可写 而一直阻塞在那里，所以采用非阻塞IO，一旦 无数据可读/没空间可写 就立刻返回-1，errno=EAGAIN（设置socket为非阻塞socke）。

bool WebServer::setFdNonblock(int fd)
{
    int flags;
    if((flags=fcntl(fd,F_GETFL,0))<0)    
        return false;
    flags |= O_NONBLOCK;
    if(fcntl(fd,F_SETFL,flags)<0)
        return false;
    return true;
}

因为ET模式下被唤醒（返回就绪）的条件为：

对于读取操作：

(1) 当buffer由不可读状态变为可读的时候，即由空变为不空的时候。

(2) 当有新数据到达时，即buffer中的待读内容变多的时候。

(3) 当buffer中有数据可读（即buffer不空）且用户对相应fd进行epoll_mod IN事件时。

对于写操作：

(1) 当buffer由不可写变为可写的时候，即由满状态变为不满状态的时候。

(2) 当有旧数据被发送走时，即buffer中待写的内容变少得时候。

(3) 当buffer中有可写空间（即buffer不满）且用户对相应fd进行epoll_mod OUT事件时

所以下面实现的逻辑为：

readFrom调用client->read(&readErrno)循环读取，直至读取完成/读取失败，读取完成也就是read返回0，代表服务器端read到了客户端发来的FIN请求，所以关闭连接；而读取失败又分为“暂时无数据可读”或”其他原因“，如果是其他原因则直接关闭连接，如果是"暂时无数据可读"（即没有新的HTTP请求发来）则进入process函数，判断读缓冲区内是否存在收集到的请求，有则解析请求+完成响应报文，然后更换监听的事件为EPOLLOUT，没有则继续监听EPOLLIN事件，继续读取客户端请求。

writeTo调用client->write(&writeErrno)循环写入，直至全部写完/写入失败，写入失败又分为”暂时无空间可写“或”其他原因“，如果是其他原因则直接关闭连接，如果是”暂时无空间可写“，则继续监听EPOLLOUT事件，继续写入响应。如果全部写完了，需要判断是否建立了HTTP长连接，如果建立了，那么就要尽量在一个TCP连接内完成多条HTTP报文的传送，所以进入process函数，判断读缓冲区内是否存在收集到的请求，有则继续监听EPOLLOUT，让本条请求的响应在下一轮epoll_wait中就绪；无则改为监听EPOLLIN，继续读取客户端请求；如果不建立HTTP长连接，则发送完毕HTTP响应后就应直接关闭连接。

void WebServer::readFrom(HttpConn* client)
{
    int readErrno=0;
    int ret=client->read(&readErrno);//client->raed()用while循环去尽力读
    if(ret<=0&&readErrno!=EAGAIN)//读出错，关闭连接
    {
        closeConn(client);
        return ;
    }
    process(client);
}

void WebServer::writeTo(HttpConn* client)
{
    int writeErrno=0;
    int ret=client->write(&writeErrno);//client->write()用while循环去尽力写
    if(client->isWriteOver())//数据已全部写完 
    {
        if(client->isKeepAlive()) //建立的是Http长连接
        {
            process(client);
            return;
        }
    }
    if(ret<0&&writeErrno==EAGAIN) //数据未读完，加入rdlist中下次继续读
    {
        epoller_p->modFd(client->getFd(), connEvent | EPOLLOUT);
        return ;
    }
    closeConn(client);
}

void WebServer::process(HttpConn* client)
{
    if(client->process()) //处理客户端请求成功
    {
        epoller_p->modFd(client->getFd(), connEvent | EPOLLOUT);//监听事件改为EPOLLOUT
    } 
    else 
    {
        epoller_p->modFd(client->getFd(), connEvent | EPOLLIN);//监听事件仍为EPOLLIN，继续读
    }
}

本文实现的Web服务器还设置了优雅关闭的选项：

struct linger optLinger;
    optLinger.l_onoff=1;
    optLinger.l_linger=1;
    if(setsockopt(listenFd,SOL_SOCKET,SO_LINGER,&optLinger,sizeof(optLinger))<0)
    {
        LOG_ERROR("%s","Set SO_LINGER Option Error!");
        return false;
    }

开启此套接字选项后，close()不会在调用后立刻返回，而是在延滞optLinger.l_linger 时间后才返回，在这一段时间内，close()函数并未关闭读写端，所以可以获取到客户端对于发往它的数据和FIN的ACK确认，故称优雅关闭。

当然，如果optLinger.l_linger设置不合理，在延滞时间内并未收到对端的确认，那么close返回-1，errno=EWOULDBLOCK，服务器端关闭，此后如果客户端的确认姗姗来迟，面对已经关闭的服务器端，只会收到RST，这是我们不想看到的。

所以，最好的办法其实是服务器端采用shutdown半关闭(关闭写端)，这样读端read函数就会一直阻塞，可以读取到客户端发来的对于数据和FIN的确认，也可以在之后读取到客户端在处理完发来数据后调用close发出的FIN，服务器的读端read读到FIN后，直接返回，读取结束。

所以read的成功返回表明了：服务器端既获得了客户端对于发往它的数据和FIN的确认(TCP)，又获得了客户端正确读取发来数据的确认(客户端的用户进程)。相比于close()+SO_LINGER，得到的消息更多。

此外，本文的Web服务器还设置了地址复用的选项：

int optReuseaddr=1;
    if(setsockopt(listenFd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&optReuseaddr,sizeof(optReuseaddr))<0)
    {
        LOG_ERROR("%s","Set SO_REUSEADDR Option Error!");
        return false;
    }

它的功能是，允许启动一个监听服务器并捆绑其众所周知的端口，即使以前建立的将该端口用作它们的本地端口的连接仍然存在。

这种情况常见于：

先启动一个监听服务器，连接请求到达，派生一个子进程来处理该客户，之后监听服务器终止，但是子进程仍然继续为该连接上的客户提供服务，重启监听服务器时就会失败。

这里重启失败是失败在bind函数绑定端口时，它试图绑定一个已有连接上的端口，所以失败。

当然，本文实现的基于多线程的Web服务器，一旦主线程的监听服务器终止，派生的子线程也会随之终止，大家都关闭了，也就不存在上述的重启失败问题。

以上就是本文实现的Web服务器的重点内容，下面是全部代码：

WebServer类结构 webserver.h

#ifndef WEBSERVER_H
#define WEBSERVER_H
 
#include#include#include 
#include#include#include#include 
 
#include "heaptimer.h"
#include "epoller.h"
#include "../pool/threadpool.h"
#include "../pool/sqlconnpool.h"
#include "../http/httpconn.h"
#include "../log/log.h"
 
class  WebServer
{
public:
    WebServer();
    ~WebServer();
    bool loadConfigFile();
    void start();
 
private:
    void dealListen();
    void dealRead(HttpConn* client);
    void dealWrite(HttpConn* client);
    void closeConn(HttpConn* client);
 
    void flushTime(HttpConn* client);
    void addClient(int fd,const sockaddr_in& addr);
    void readFrom(HttpConn* client);
    void writeTo(HttpConn* client);
    void process(HttpConn* client);
 
    bool setFdNonblock(int fd);
    bool initSocket();
    
    int port;
    int timeOutMs;
    bool isClose;
    int listenFd;
    char* srcDir;
 
    uint32_t listenEvent;
    uint32_t connEvent;
    std::unique_ptrtimer_p;
    std::unique_ptrthreadPool_p;
    std::unique_ptrepoller_p;
    std::unordered_mapusers;
    const int maxUserNum = 65536;
};
 
#endif // !WEBSERVER_H

WebServer类实现 webserver.cpp

#include "webserver.h"
 
bool WebServer::loadConfigFile()//加载配置文件
{
    FILE* fp = fopen("./webserver.ini", "r");
    if(fp==nullptr)
    {
        return false;
    }    
    while(!feof(fp)) 
    {
        char line[1024] = {0};
        fgets(line, 1024, fp);
        string str = line;
        int idx = str.find('=', 0);
        if (idx == -1)
            continue;
        int endidx = str.find('\n', idx);
        string key = str.substr(0, idx);
        string value = str.substr(idx+1,endidx-idx-1);
        if (key == "port")    
            port = stoi(value);
        else if (key == "timeOutMs")
            timeOutMs = stoi(value);
        else if (key == "sqlConnMaxNum")
            SqlConnPool::getInstance(stoi(value));
        else if (key == "threadNum") 
            threadPool_p=std::unique_ptr(new ThreadPool(stoi(value)));
        else if (key == "logQueSize")
            Log::getInstance()->init(stoi(value));
    }
    fclose(fp);
    return true;
}
 
WebServer::WebServer():isClose(false),timer_p(new HeapTimer()),epoller_p(new Epoller())
{
    if (!loadConfigFile())//配置失败
    {
        isClose=true;
        LOG_ERROR("%s","Load Config File Fail!");
        return ;
    }
    srcDir=getcwd(nullptr,256);
    strncat(srcDir,"/resources/",15);
    HttpConn::userCount=0;
    HttpConn::srcDir=srcDir;
    listenEvent=EPOLLRDHUP|EPOLLIN|EPOLLET;
    connEvent=EPOLLONESHOT|EPOLLRDHUP|EPOLLET;
    if(!initSocket())
        isClose=true;
    if(isClose)
        LOG_ERROR("%s","========== Server init error!==========");
    else
        LOG_INFO("%s", "========== Server init success!========");
}
 
WebServer::~WebServer()
{
    close(listenFd);
    isClose=true;
    free(srcDir);
}
 
void WebServer::start() 
{
    int timeMs=-1;
    while(!isClose)
    {
        if(timeOutMs>0)
        {
            timeMs=timer_p->getNextTick();
        }
        int eventCnt=epoller_p->wait(timeMs);
        for(int i=0;igetEventFd(i);
            uint32_t events=epoller_p->getEvents(i);
            if(fd==listenFd)
            {
                dealListen();
            }
            else if(events&EPOLLIN)
            {
                dealRead(&users[fd]);
            }
            else if(events&EPOLLOUT)
            {
                dealWrite(&users[fd]);
            }
            else if(events&(EPOLLRDHUP|EPOLLHUP|EPOLLERR))
            {
                closeConn(&users[fd]);
            }
            else
            {
                LOG_ERROR("%s","Unexpected Event Happen!");
            }
        }
    }
    
}
 
void WebServer::dealListen()
{
    struct sockaddr_in addr;
    socklen_t len=sizeof(addr);
    while(true)
    {
        int connfd=accept(listenFd,(struct sockaddr*)&addr,&len);
        if(HttpConn::userCount>=maxUserNum)
        {
            close(connfd);
            LOG_ERROR("%s","Server Users Full!");
            return ;
        }
        if(connfd<=0)
        {
            return ;
        }
        else
        {
            addClient(connfd,addr);
        }
    }
}
 
 void WebServer::dealRead(HttpConn* client)
 {
    flushTime(client);
    threadPool_p->addTask(std::bind(&WebServer::readFrom,this,client));
 }
 
void WebServer::dealWrite(HttpConn* client)
{
    flushTime(client);
    threadPool_p->addTask(std::bind(&WebServer::writeTo,this,client));
}
 
void WebServer::closeConn(HttpConn* client)
{
    epoller_p->delFd(client->getFd());
    client->closeConn();
}
 
void WebServer::flushTime(HttpConn* client)
{
    if(timeOutMs>0)
    {
        timer_p->adjust(client->getFd(),timeOutMs);
    }
}
 
void WebServer::addClient(int connfd,const sockaddr_in& addr)
{
    users[connfd].init(connfd,addr);   
    if(timeOutMs>0)
    {
        timer_p->add(connfd,timeOutMs,std::bind(&WebServer::closeConn,this,&users[connfd]));
    }
    epoller_p->addFd(connfd,connEvent|EPOLLIN);
    setFdNonblock(connfd);
}
 
void WebServer::readFrom(HttpConn* client)
{
    int readErrno=0;
    int ret=client->read(&readErrno);
    if(ret<=0&&readErrno!=EAGAIN)
    {
        closeConn(client);
        return ;
    }
    process(client);
}
 
void WebServer::writeTo(HttpConn* client)
{
    int writeErrno=0;
    int ret=client->write(&writeErrno);
    if(client->isWriteOver()) 
    {
        if(client->isKeepAlive()) 
        {
            process(client);
            return;
        }
    }
    if(ret<0&&writeErrno==EAGAIN) 
    {
        epoller_p->modFd(client->getFd(), connEvent | EPOLLOUT);
        return ;
    }
    closeConn(client);
}
 
void WebServer::process(HttpConn* client)
{
    if(client->process()) 
    {
        epoller_p->modFd(client->getFd(), connEvent | EPOLLOUT);
    } 
    else 
    {
        epoller_p->modFd(client->getFd(), connEvent | EPOLLIN);
    }
}
 
bool WebServer::setFdNonblock(int fd)
{
    int flags;
    if((flags=fcntl(fd,F_GETFL,0))<0)    
        return false;
    flags |= O_NONBLOCK;
    if(fcntl(fd,F_SETFL,flags)<0)
        return false;
    return true;
}
 
bool WebServer::initSocket()
{
    if(port>65535||port<1024)
    {
        LOG_ERROR("Select Port:%d Error!",port);
        return false;
    }
    listenFd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(listenFd<0)
    {
        LOG_ERROR("%s","Create Socket Error!");
        return false;
    }
    struct linger optLinger;
    optLinger.l_onoff=1;
    optLinger.l_linger=1;
    if(setsockopt(listenFd,SOL_SOCKET,SO_LINGER,&optLinger,sizeof(optLinger))<0)
    {
        LOG_ERROR("%s","Set SO_LINGER Option Error!");
        return false;
    }
    int optReuseaddr=1;
    if(setsockopt(listenFd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&optReuseaddr,sizeof(optReuseaddr))<0)
    {
        LOG_ERROR("%s","Set SO_REUSEADDR Option Error!");
        return false;
    }
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family=AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    addr.sin_port=htons(port);
    if(bind(listenFd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))<0)
    {
        LOG_ERROR("%s","Bind Port:%d Error!",port);
        return false;
    }
    if(listen(listenFd,5)<0)
    {
        LOG_ERROR("%s","Listen Port:%d Error!",port);
        return false;
    }
    if(!epoller_p->addFd(listenFd,listenEvent))
    {
        LOG_ERROR("%s","Add ListenFd:%d in Epoll Error!",listenFd);
        return false;
    }
    if(!setFdNonblock(listenFd))
    {
        LOG_ERROR("%s","Set ListenFd:%d Nonblock Error!",listenFd);
        return false;
    }
    return true;
}

webserver.ini

# WEB服务器配置文件
#端口号
port=8888
#超时时间
timeOutMs=500
#大sql连接数
sqlConnMaxNum=1000
#线程数 
threadNum=8
#日志队列大容量
logQueSize=1024

本项目已在github开源，全部代码见：

1410138/MyWebServer: C++ Linux Web服务器 (github.com)

其余部分的介绍及部分代码见本专栏：

webServer_{(sunburst)}的博客-博客

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