第1章手写WebServer

1.1 Web原理

1.1.1 Web概述

Web是指互联网上的万维网（World Wide Web），是一个由超文本、超链接和多媒体内容组成的信息空间。Web的基础技术是HTTP协议、URL、HTML、CSS和JavaScript等。Web被广泛应用于信息检索、在线购物、社交媒体、在线游戏、在线视频和音乐等领域。

Web的好处如下：

全球范围的信息共享：Web使得人们可以通过互联网共享信息、知识和文化。用户可以在全球范围内获取和分享信息，这为人们提供了前所未有的便利。
便利的在线服务：Web使得人们可以轻松地访问在线服务，如电子邮件、社交媒体、在线银行、在线购物和在线学习等。这些服务可以大大提高人们的生产力和便利性。
多媒体内容的呈现：Web使得多媒体内容，如图像、视频和音频，可以轻松地在互联网上呈现和传播。这些内容不仅丰富了用户的体验，也为教育和娱乐等领域提供了新的机会。
云计算和Web应用程序：Web应用程序可以在云计算环境中运行，使得用户可以使用网络浏览器轻松访问和使用这些应用程序。这些应用程序包括在线办公套件、在线协作工具、电子商务网站等。

Web作为一种重要的信息和娱乐渠道，它可以为用户提供全球信息共享、便利的在线服务、多媒体内容的呈现、云计算和Web应用程序等。

1.1.2 Web工作原理

Web的工作原理是基于客户端-服务器模型（B/S）的。简单来说，Web由Web服务器、Web客户端和通信协议组成。

1、Web服务器

Web服务器是一个可以接收客户端请求的软件程序。它运行在一个计算机上，一般是指提供Web服务的主机，可以在这个主机上存储Web页面、图像和其他资源。当Web服务器接收到一个客户端请求后，它会发送一个HTTP响应，包括被请求资源的内容和元数据。

2、Web客户端

Web客户端是通过浏览器访问Web的用户设备，如电脑、手机等。当用户在浏览器中输入URL时，浏览器会发送一个HTTP请求到Web服务器。Web服务器接收到请求后，会查找请求的资源并将响应返回给浏览器，浏览器会将响应显示在用户的屏幕上。

3、HTTP协议

Web的通信是基于HTTP协议进行的。HTTP是一种客户端-服务器协议，用于传输超文本文档（HTML、XML、图片等）。它定义了浏览器和Web服务器之间的请求和响应交互方式。当浏览器发送HTTP请求时，请求会包含HTTP方法（GET、POST、PUT等）、请求的URL和HTTP头部信息。Web服务器会解析HTTP请求并生成HTTP响应。HTTP响应会包括状态码、HTTP头部信息和响应正文。状态码表示请求是否成功，HTTP头部信息包含了响应的元数据，响应正文则包含了请求的数据。

4、HTML

HTML是用于创建Web页面的标记语言。HTML标签描述了文本和其他内容在Web页面上的显示方式。浏览器可以读取HTML文件，并将其转换成可视化的Web页面。

因此，Web的工作原理是基于HTTP协议和客户端-服务器模型的。Web服务器接收HTTP请求，查找并生成响应，并将其发送回浏览器。浏览器读取响应并将其转换成可视化的Web页面。

1.2 手写WebServer

1.2.1 手写WebServer的意义

手写WebServer对学习编程有很大的意义：有助于深入理解Web的工作原理和HTTP协议的细节，可以提高对计算机网络和操作系统的理解，并增强编程和软件开发的能力。

1、理解Web工作原理：通过编写代码，实现客户端和服务端的信息交互，从而理解Web的工作原理和HTTP通信协议，掌握Web应用程序和网络通信的底层原理。

2、提高编程能力：手写WebServer需要掌握网络编程、操作系统和Web开发等多种技能，有利于更好地理解软件开发的基本原理和技术，并掌握高效编程的方法和技巧。

3、加强调试能力：手写WebServer需要不断地测试和调试，从而加强调试能力，有助于更好地掌握软件调试的方法和技巧，从而提高开发效率和代码质量。

4、培养创新意识：手写WebServer需要不断地思考和创新，可以培养创新意识，并学会在开发过程中不断提高自己的能力和水平。

懂源码的程序员才是真正的程序员。要想原生手写WebServer就需要从深入学习HTTP协议开始。

1.2.2 HTTP协议

HTTP（Hypertext Transfer Protocol）协议是一种应用层协议，用于在Web浏览器和Web服务器之间传输数据。HTTP协议是Web的基础技术之一，它定义了客户端（如Web浏览器）和服务器之间的通信规则，使得Web可以实现信息的交互和共享。

HTTP协议的设计是为了解决在Web上传输数据的问题。在早期的Web中，各种应用程序使用不同的通信协议，导致Web上的信息交流困难，信息共享也受到了限制。HTTP协议的出现解决了这些问题，使得Web的发展更加迅速和广泛。

HTTP协议的优势如下：

简单易用：HTTP协议的设计非常简单，易于理解和实现。这使得开发人员可以更快地开发Web应用程序，并且更容易调试和维护。
可扩展性：HTTP协议的设计具有良好的可扩展性。这意味着可以通过添加新的功能和特性来改进HTTP协议，从而满足不断变化的需求。
无状态：HTTP协议是无状态协议，它不保存任何关于请求或响应的状态信息。这使得Web服务器可以处理大量的请求，并提高了Web应用程序的可伸缩性。
可靠性：HTTP协议的设计非常可靠，可以确保数据在客户端和服务器之间的安全传输。HTTP协议还支持数据压缩、数据加密等技术，提高了数据传输的效率和安全性。

HTTP协议是一种简单易用、可扩展、无状态和可靠的应用层协议，它使得Web应用程序可以高效地传输和共享数据，从而推动了Web的发展和应用。

1.2.3 HTTP协议工作原理

HTTP协议是一个客户端-服务器协议，它的工作原理可以分为以下几个步骤：

1、建立连接：客户端向服务器发送一个连接请求，请求连接到服务器。客户端可以通过TCP/IP协议或TLS/SSL协议建立连接。

2、发送请求：客户端向服务器发送HTTP请求，请求包括请求方法、请求头、请求体等信息。常见的请求方法包括GET、POST、PUT、DELETE等。

3、处理请求：服务器接收到HTTP请求后，根据请求的方法和URL等信息进行处理。服务器可以返回HTTP响应，包括响应状态码、响应头和响应体等信息。

4、发送响应：服务器向客户端发送HTTP响应，响应包括响应状态码、响应头、响应体等信息。

5、关闭连接：一旦HTTP响应发送完毕，服务器和客户端都可以选择关闭连接。关闭连接可以释放网络资源，提高性能和安全性。

在HTTP协议中，客户端和服务器之间的通信是通过HTTP报文进行的。HTTP报文分为请求报文和响应报文，分别用于客户端向服务器发送请求和服务器向客户端发送响应。HTTP报文包括起始行、头部字段和消息体等部分，它们用于传输数据和控制信息。

总之，HTTP协议是一个客户端-服务器协议，它通过HTTP报文来传输数据和控制信息。HTTP协议的工作原理是建立连接、发送请求、处理请求、发送响应和关闭连接等步骤。

1.2.4 WebServer的处理步骤

Java WebServer的大致处理步骤如下：

1、创建一个ServerSocket对象：ServerSocket对象用于监听指定的端口，并接受客户端的请求。

2、等待客户端连接：通过调用ServerSocket的accept()方法，等待客户端的连接请求。当有客户端连接时，accept()方法返回一个Socket对象，用于和客户端进行通信。

3、解析HTTP请求：从Socket对象中读取客户端的请求数据，并将其解析为HTTP请求。HTTP请求由请求行、请求头和请求体组成。

4、处理HTTP请求：根据HTTP请求中的方法、路径和参数等信息，处理客户端的请求，并生成HTTP响应。HTTP响应由状态行、响应头和响应体组成。

5、发送HTTP响应：将HTTP响应发送回客户端，并关闭Socket连接。

实现一个WebServer涉及到很多细节，例如解析HTTP请求、处理GET和POST请求、生成HTTP响应等。

1.3 接收HTTP请求

1.3.1 HTTP请求结构

HTTP请求报文由三个部分组成：请求行、请求头和请求体。查看一个简单的HTTP GET请求的示例：

GET /hello.txt HTTP/1.1

Host: example.com

User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64)

Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,*/*;q=0.8

1、请求行

请求行是HTTP请求报文的第一行，包括HTTP方法、请求URI和HTTP版本。请求行的格式如下：

METHOD URI HTTP_VERSION

其中：METHOD为HTTP方法，通常为GET、POST、PUT、DELETE等；URI为请求资源的路径，可以包含查询参数；HTTP_VERSION为HTTP协议版本，通常为HTTP/1.1或HTTP/2。

上个示例中，请求行包含了HTTP方法GET、请求路径/hello.txt和HTTP版本号HTTP/1.1。

2、请求头

请求头紧随请求行之后，以一或多个以冒号分隔的键值对的形式提供附加信息。每个键值对为一行，键和值之间用冒号和空格分隔。请求头包含了客户端发送请求时的各种信息，如Accept、User-Agent、Host等。

上个示例中，请求头包含了Host、User-Agent和Accept三个键值对。Host指定了服务器的域名或IP地址，User-Agent指定了浏览器的类型和版本，Accept指定了浏览器能够接受的响应格式。

3、请求体

请求体是HTTP请求报文的可选部分，通常在使用POST或PUT方法提交表单数据时出现。请求体包含了客户端发送到服务器的实际数据，如表单字段、文件内容等。

上个示例中，GET请求不包含请求消息体，以空行作为结束标识。

下面是一个HTTP POST请求报文的示例：

POST /login HTTP/1.1

Host: example.com

Content-Type: application/x-www-form-urlencoded

Content-Length: 25

username=john&password=doe

这个示例中，请求行为POST /login HTTP/1.1，表示使用POST方法向/login路径提交请求。请求头包括了Host、Content-Type和Content-Length三个键值对。请求体为username=john&password=doe，表示提交了用户名和密码两个表单字段的值。注意请求头和请求体之间有一个空行。其中Content-Length的长度25就是请求体中数据“username=john&password=doe”的字节数量。

关于编码：请求行和请求头都是 ISO8859-1编码，不能直接使用中文，中文需要进行编码处理。

HTTP协议的详细内容可以参考HTTP协议官方文档 RFC2616标准：RFC 2616: Hypertext Transfer Protocol -- HTTP/1.1。

1.3.2 接收HTTP请求

使用Java编程实现接收浏览器的HTTP请求，可以使用Java的Socket和ServerSocket类来实现一个简单的HTTP服务器。具体步骤如下：

1、创建ServerSocket对象，并指定监听的端口号8088。

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8088);

2、使用accept()方法等待客户端的连接请求，并获取客户端的Socket对象。

Socket clientSocket = serverSocket.accept();

3、从客户端Socket对象中获取输入流，先尝试一个简单方式读取HTTP请求报文（请求消息），读取代码示意如下：

InputStream in = clientSocket.getInputStream();
int b;
while ((b=in.read())!=-1){
    	System.out.print((char) b);
}
in.close();

1.3.3 接收HTTP请求实现

编写服务端代码，实现接收HTTP请求，完整案例代码如下

public class ServerBootApplication {
    private ServerSocket serverSocket;

    public void start(){
        try {
            //创建ServerSocket对象，并指定监听的端口号8088。
            serverSocket = new ServerSocket(8088);
            //使用accept()方法等待客户端的连接请求，并获取客户端的Socket对象
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //从客户端Socket对象中获取输入流，读取HTTP请求报文（请求消息）。
            InputStream in = clientSocket.getInputStream();
            int b;
            while ((b=in.read())!=-1){
                System.out.println((char) b);
            }
            in.close();
            //关闭客户端连接
            clientSocket.close();
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        //创建ServerBoot对象
        ServerBootApplication1 application = new ServerBootApplication1();
        //启动服务器
        application.start();
    }
}

打开浏览器向 http://localhost:8088 发起请求，在开发工具控制台上输出如下信息：

这些信息是一个浏览器发送的一个HTTP GET请求，不同浏览器信息略有区别。

这个案例存在问题，客户浏览器会一直卡住“转圈圈”，原因是浏览器没有主动断开网络，只有断开网络时候，服务器端才能收到“-1”程序才能继续执行，否则就会在in.read()位置进行阻塞等待，客户端效果就是“转圈圈”。

如何解决这个问题呢？要分析一下HTTP GET请求消息结构：

GET请求消息每个行结束符号为“\r\n”，最后发送了空行“\r\n”为结束，我们改进程行读取到空行就结束读取，让循环结束，代码改进如下：

//从客户端Socket对象中获取输入流，读取HTTP请求报文（请求消息）。
InputStream in = clientSocket.getInputStream();
StringBuilder builder= new StringBuilder();
//   前一个字符  当前字符
char previous = 0, current = 0;
int b;
while ((b=in.read())!=-1){
    //将读取的字节存储到当前字符, 由于请求头采用了ISO8859-1编码，
    // 所以可以讲字节直接转化为字符类型
    current = (char) b;
    //如果发现了 前一个字符是 \r 当前字符是 \n 就读取到了行末尾
    if (previous == '\r' && current == '\n'){
        //如果这一行是空行就结束处理了
        if (builder.toString().isEmpty()){
            break;
        }
        //输出这一行数据当前一行数据并且清空builder，为下次缓存数据做准备
        System.out.println(builder);
        builder.delete(0, builder.length());
    }else if (current != '\r' && current != '\n'){
        //当前的不是 \r \n 就是一行中的字符
        builder.append(current);
    }
    //最后将当前的字符作为下次的前一个字符
    previous = current;
}
in.close();

这段代码从客户端Socket对象的输入流中读取HTTP请求报文（请求消息）。该代码使用一个StringBuilder对象来存储读取到的数据，并使用一个while循环遍历输入流中的字节。

在while循环中，代码将当前字节转换为字符类型并存储到变量current中，同时检查前一个字符是否是回车符（\r）并且当前字符是否是换行符（\n），如果是，就表示读取到了一行的末尾，将该行数据输出并清空StringBuilder对象。

如果当前字符不是回车符或换行符，那么就是一行中的字符，将该字符添加到StringBuilder对象中。

在处理完一行数据后，将当前字符作为下次循环的前一个字符；最后，关闭输入流。

需要注意的是，请求报文采用了ISO8859-1编码，因此可以将字节直接转换为字符类型。

案例的完整代码如下：

public class ServerBootApplication {
    private ServerSocket serverSocket;

    public void start(){
        try {
            //创建ServerSocket对象，并指定监听的端口号8088。
            serverSocket = new ServerSocket(8088);
            //使用accept()方法等待客户端的连接请求，并获取客户端的Socket对象
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //从客户端Socket对象中获取输入流，读取HTTP请求报文（请求消息）。
            InputStream in = clientSocket.getInputStream();
            StringBuilder builder= new StringBuilder();
            //   前一个字符  当前字符
            char previous = 0, current = 0;
            int b;
            while ((b=in.read())!=-1){
                //将读取的字节存储到当前字符, 由于请求头采用了ISO8859-1编码，
                // 所以可以讲字节直接转化为字符类型
                current = (char) b;
                //如果发现了 前一个字符是 \r 当前字符是 \n 就读取到了行末尾
                if (previous == '\r' && current == '\n'){
                    //如果这一行是空行就结束处理了
                    if (builder.toString().isEmpty()){
                        break;
                    }
                    //输出这一行数据当前一行数据并且清空builder，为下次缓存数据做准备
                    System.out.println(builder);
                    builder.delete(0, builder.length());
                }else if (current != '\r' && current != '\n'){
                    //当前的不是 \r \n 就是一行中的字符
                    builder.append(current);
                }
                //最后将当前的字符作为下次的前一个字符
                previous = current;
            }
            in.close();

            //关闭客户端连接
            clientSocket.close();
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        //创建ServerBoot对象
        ServerBootApplication application = new ServerBootApplication();
        //启动服务器
        application.start();
    }
}

服务器端可以正常显示浏览器的请求信息，并且服务端程序可以正常结束：

1.4 发送HTTP响应

1.4.1 HTTP响应

在上一节案例中虽然服务器端结束了，但是客户端端得到了一个不正常的结果：

其原因是：服务器没有向浏览器发送任何响应消息，浏览器没有收到任何信息。解决办法就是在服务端程序，向浏览器发送响应消息。

1.4.2 响应消息结构

要能正确发送响应消息就必须了解完整的响应消息结构。HTTP响应消息由三部分组成：状态行、响应头和响应正文。

1、状态行

状态行由HTTP协议版本、状态码和状态描述组成，通常格式如下：

HTTP/1.1 200 OK

其中，HTTP/1.1表示HTTP协议的版本，200表示状态码，OK是状态描述。

Content-Type: text/html

Content-Length: 1234

Date: Fri, 25 Feb 2023 10:00:00 GMT

响应正文是服务器返回的实际数据，可以是HTML网页、图片、文本等等。响应正文的格式和内容取决于服务器返回的数据类型和内容。

完整的HTTP响应消息结构如下：

HTTP/1.1 200 OK

Content-Type: text/html; charset=utf-8

Content-Length: 1234

Date: Fri, 25 Feb 2023 10:00:00 GMT

<html>

<head>

<title>Example</title>

</head>

<body>

<p>This is an example.</p>

</body>

</html>

其中响应头Content-Type: text/html; charset=utf-8 用于说明，响应正文中的内容类型，这是text/html表示，响应正文中是一个html网页，charset=utf-8表示响应正文中的网页采用UTF-8编码。

响应头Content-Length: 1234，用于说明响应正文中内容长度，单位是字节数量。

需要注意的是，HTTP响应消息中的每个部分都使用特定的分隔符进行分割。状态行和响应头之间使用一个空行进行分割，响应头和响应正文之间也使用一个空行进行分割。服务器端需要按照HTTP协议规定的格式构造响应消息，客户端收到响应消息后也需要按照HTTP协议规定的方式解析响应消息。

1.4.3 向浏览器发送HTTP响应

在Java中向浏览器发送HTTP响应需要借助Java中的Socket和OutputStream等类。以下是一个简单的Java程序示例，可以向浏览器发送一段HTML内容的HTTP响应：

OutputStream out = clientSocket.getOutputStream();
//一个简单的网页内容
String html = "<html>\n" +
        "<head>\n" +
        "<title>Example</title>\n" +
        "</head>\n" +
        "<body>\n" +
        "<p>Hello World!</p>\n" +
        "</body>\n" +
        "</html>";
byte[] body = html.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
out.write("HTTP/1.1 200 OK".getBytes(StandardCharsets.ISO_8859_1));
out.write('\r');
out.write('\n');
out.write("Content-Type: text/html; charset=utf-8"
	.getBytes(StandardCharsets.ISO_8859_1));
out.write('\r');
out.write('\n');
out.write(("Content-Length: "+body.length)
	.getBytes(StandardCharsets.ISO_8859_1));
out.write('\r');
out.write('\n');
out.write('\r'); //空行
out.write('\n');
out.write(body);
//关闭客户端连接
out.close();

这段代码用于向客户端发送HTTP响应。具体来说，它先构造了一个简单的HTML网页，然后将HTML内容转换成UTF-8编码的字节数组，将HTTP响应头和响应体分别写入到客户端的输出流中。

HTTP响应的第一行为状态行，这里写入了“HTTP/1.1 200 OK”，表示HTTP版本为1.1，状态码为200，状态码200表示请求成功。接着写入了响应头信息，包括“Content-Type”表示响应体类型为HTML文本，“charset=utf-8”表示响应体采用的字符集为UTF-8，“Content-Length”表示响应体长度为body的字节数组长度。之后写入一个空行，表示响应头和响应体的分隔符，最后将响应体内容写入到输出流中。

最后，关闭客户端的输出流，表示该响应已经发送完毕，可以断开与客户端的连接。

完整案例：

package com.obj.boot;

import java.io.*;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class ServerBootApplication {
    private ServerSocket serverSocket;

    public void start(){
        try {
            //创建ServerSocket对象，并指定监听的端口号8088。
            serverSocket = new ServerSocket(8088);
            //使用accept()方法等待客户端的连接请求，并获取客户端的Socket对象
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            //从客户端Socket对象中获取输入流，读取HTTP请求报文（请求消息）。
            InputStream in = clientSocket.getInputStream();
            StringBuilder builder= new StringBuilder();
            //   前一个字符  当前字符
            char previous = 0, current = 0;
            int b;
            while ((b=in.read())!=-1){
                //将读取的字节存储到当前字符, 由于请求头采用了ISO8859-1编码，
                // 所以可以讲字节直接转化为字符类型
                current = (char) b;
                //如果发现了 前一个字符是 \r 当前字符是 \n 就读取到了行末尾
                if (previous == '\r' && current == '\n'){
                    //如果这一行是空行就结束处理了
                    if (builder.toString().isEmpty()){
                        break;
                    }
                    //输出这一行数据当前一行数据并且清空builder，为下次缓存数据做准备
                    System.out.println(builder);
                    builder.delete(0, builder.length());
                }else if (current != '\r' && current != '\n'){
                    //当前的不是 \r \n 就是一行中的字符
                    builder.append(current);
                }
                //最后将当前的字符作为下次的前一个字符
                previous = current;
            }

            OutputStream out = clientSocket.getOutputStream();
            //一个简单的网页内容
            String html = "<html>\n" +
                    "<head>\n" +
                    "<title>Example</title>\n" +
                    "</head>\n" +
                    "<body>\n" +
                    "<p>Hello World!</p>\n" +
                    "</body>\n" +
                    "</html>";
            byte[] body = html.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            out.write("HTTP/1.1 200 OK".getBytes(StandardCharsets.ISO_8859_1));
            out.write('\r');
            out.write('\n');
            out.write("Content-Type: text/html; charset=utf-8".getBytes(StandardCharsets.ISO_8859_1));
            out.write('\r');
            out.write('\n');
            out.write(("Content-Length: "+body.length).getBytes(StandardCharsets.ISO_8859_1));
            out.write('\r');
            out.write('\n');
            out.write('\r'); //空行
            out.write('\n');
            out.write(body);
            //关闭客户端连接
            out.close();
            in.close();
            clientSocket.close();
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        //创建ServerBoot对象
        ServerBootApplication application = new ServerBootApplication();
        //启动服务器
        application.start();
    }
}