在网络编程的世界中，理解HTTP服务器的工作原理对于任何一名开发者来说都是一项宝贵的技能。今天，我们将深入探索一个由J. David Blackstone在1999年编写的极简HTTP服务器——Tinyhttpd。这个服务器的代码量不到500行，是学习网络编程和HTTP协议的绝佳示例。

概述

Tinyhttpd是一个轻量级的HTTP服务器，它不仅展示了HTTP服务器的基本工作原理，还提供了一个实用的框架，用于理解如何处理HTTP请求和响应。这个项目非常适合那些希望深入了解网络编程基础的开发者。

HTTP服务器的工作原理

在深入Tinyhttpd的代码之前，让我们先来了解HTTP服务器的基本工作流程：

1. 监听端口：服务器首先需要在一个特定的端口上监听来自客户端的连接请求。
2. 接受连接：当客户端发起连接请求时，服务器接受这个请求，并建立一个到客户端的连接。
3. 处理请求：服务器读取客户端发送的HTTP请求，并根据请求的类型（如GET或POST）进行处理。
4. 发送响应：处理完请求后，服务器将生成一个HTTP响应，并发送回客户端。
5. 关闭连接：发送完响应后，服务器关闭与客户端的连接。

Tinyhttpd的代码分析

Tinyhttpd的代码虽然简短，但包含了HTTP服务器所需的所有基本组件。以下是对关键部分的详细分析：

1. 初始化和监听

服务器的初始化过程包括创建一个套接字，并将其绑定到一个端口上。这个过程由startup函数完成。

int startup(u_short *port) {
    int httpd = 0;
    int on = 1;
    struct sockaddr_in name;

    httpd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (httpd == -1)
        error_die("socket");
    memset(&name, 0, sizeof(name));
    name.sin_family = AF_INET;
    name.sin_port = htons(*port);
    name.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    if ((setsockopt(httpd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on))) < 0) {
        error_die("setsockopt failed");
    }
    if (bind(httpd, (struct sockaddr *)&name, sizeof(name)) < 0)
        error_die("bind");
    if (listen(httpd, 5) < 0)
        error_die("listen");
    return(httpd);
}

2. 接受请求

一旦服务器开始监听端口，它就会等待客户端的连接请求。当一个请求到达时，accept_request函数被调用来处理这个请求。

void accept_request(void *arg) {
    int client = (intptr_t)arg;
    char buf[1024];
    size_t numchars;
    char method[255];
    char url[255];
    char path[512];
    size_t i, j;
    struct stat st;
    int cgi = 0;
    char *query_string = NULL;

    numchars = get_line(client, buf, sizeof(buf));
    i = 0; j = 0;
    while (!ISspace(buf[i]) && (i < sizeof(method) - 1)) {
        method[i] = buf[i];
        i++;
    }
    j=i;
    method[i] = '\0';

    if (strcasecmp(method, "GET") && strcasecmp(method, "POST")) {
        unimplemented(client);
        return;
    }
    if (strcasecmp(method, "POST") == 0)
        cgi = 1;
    i = 0;
    while (ISspace(buf[j]) && (j < numchars))
        j++;
    while (!ISspace(buf[j]) && (i < sizeof(url) - 1) && (j < numchars)) {
        url[i] = buf[j];
        i++; j++;
    }
    url[i] = '\0';
    if (strcasecmp(method, "GET") == 0) {
        query_string = url;
        while ((*query_string != '?') && (*query_string != '\0'))
            query_string++;
        if (*query_string == '?') {
            cgi = 1;
            *query_string = '\0';
            query_string++;
        }
    }
    sprintf(path, "htdocs%s", url);
    if (path[strlen(path) - 1] == '/')
        strcat(path, "index.html");
    if (stat(path, &st) == -1) {
        while ((numchars > 0) && strcmp("\n", buf))
            numchars = get_line(client, buf, sizeof(buf));
        not_found(client);
    } else {
        if ((st.st_mode & S_IFMT) == S_IFDIR)
            strcat(path, "/index.html");
        if ((st.st_mode & S_IXUSR) ||
            (st.st_mode & S_IXGRP) ||
            (st.st_mode & S_IXOTH))
            cgi = 1;
        if (!cgi)
            serve_file(client, path);
        else
            execute_cgi(client, path, method, query_string);
    }
    close(client);
}

3. 处理CGI程序

Tinyhttpd还支持CGI程序的执行。如果服务器决定请求应该由一个CGI程序处理，execute_cgi函数将被调用。

void execute_cgi(int client, const char *path, const char *method, const char *query_string) {
    char buf[1024];
    int cgi_output[2];
    int cgi_input[2];
    pid_t pid;
    int status;
    int i;
    char c;
    int numchars = 1;
    int content_length = -1;

    buf[0] = 'A'; buf[1] = '\0';
    if (strcasecmp(method, "GET") == 0)
        while ((numchars > 0) && strcmp("\n", buf))
            numchars = get_line(client, buf, sizeof(buf));
    else if (strcasecmp(method, "POST") == 0) {
        numchars = get_line(client, buf, sizeof(buf));
        while ((numchars > 0) && strcmp("\n", buf)) {
            buf[15] = '\0';
            if (strcasecmp(buf, "Content-Length:") == 0)
                content_length = atoi(&(buf[16]));
            numchars = get_line(client, buf, sizeof(buf));
        }
        if (content_length == -1) {
            bad_request(client);
            return;
        }
    } else {
    }

    if (pipe(cgi_output) < 0) {
        cannot_execute(client);
        return;
    }
    if (pipe(cgi_input) < 0) {
        cannot_execute(client);
        return;
    }
    if ( (pid = fork()) < 0 ) {
        cannot_execute(client);
        return;
    }
    sprintf(buf, "HTTP/1.0 200 OK\r\n");
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
    if (pid == 0) { /* child: CGI script */
        char meth_env[255];
        char query_env[255];
        char length_env[255];
        dup2(cgi_output[1], STDOUT);
        dup2(cgi_input[0], STDIN);
        close(cgi_output[0]);
        close(cgi_input[1]);
        sprintf(meth_env, "REQUEST_METHOD=%s", method);
        putenv(meth_env);
        if (strcasecmp(method, "GET") == 0) {
            sprintf(query_env, "QUERY_STRING=%s", query_string);
            putenv(query_env);
        } else {
            sprintf(length_env, "CONTENT_LENGTH=%d", content_length);
            putenv(length_env);
        }
        execl(path, NULL);
        exit(0);
    } else { /* parent */
        close(cgi_output[1]);
        close(cgi_input[0]);
        if (strcasecmp(method, "POST") == 0)
            for (i = 0; i < content_length; i++) {
                recv(client, &c, 1, 0);
                write(cgi_input[1], &c, 1);
            }
        while (read(cgi_output[0], &c, 1) > 0)
            send(client, &c, 1, 0);
        close(cgi_output[0]);
        close(cgi_input[1]);
        waitpid(pid, &status, 0);
    }
}

4. 错误处理

Tinyhttpd还包含了几个用于错误处理的函数，如bad_request和not_found。

void bad_request(int client) {
    char buf[1024];
    sprintf(buf, "HTTP/1.0 400 BAD REQUEST\r\n");
    send(client, buf, sizeof(buf), 0);
    sprintf(buf, "Content-type: text/html\r\n");
    send(client, buf, sizeof(buf), 0);
    sprintf(buf, "\r\n");
    send(client, buf, sizeof(buf), 0);
    sprintf(buf, "<P>Your browser sent a bad request, ");
    send(client, buf, sizeof(buf), 0);
    sprintf(buf, "such as a POST without a Content-Length.\r\n");
    send(client, buf, sizeof(buf), 0);
}

void not_found(int client) {
    char buf[1024];
    sprintf(buf, "HTTP/1.0 404 NOT FOUND\r\n");
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
    sprintf(buf, SERVER_STRING);
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
    sprintf(buf, "Content-Type: text/html\r\n");
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
    sprintf(buf, "\r\n");
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
    sprintf(buf, "<HTML><TITLE>Not Found</TITLE>\r\n");
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
    sprintf(buf, "<BODY><P>The server could not fulfill\r\n");
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
    sprintf(buf, "your request because the resource specified\r\n");
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
    sprintf(buf, "is unavailable or nonexistent.\r\n");
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
    sprintf(buf, "</BODY></HTML>\r\n");
    send(client, buf, strlen(buf), 0);
}

5. 主函数

最后，main函数初始化服务器，然后进入一个无限循环，不断接受新的连接请求。

int main(void) {
    int server_sock = -1;
    u_short port = 4000;
    int client_sock = -1;
    struct sockaddr_in client_name;
    socklen_t  client_name_len = sizeof(client_name);
    pthread_t newthread;

    server_sock = startup(&port);
    printf("httpd running on port %d\n", port);

    while (1) {
        client_sock = accept(server_sock, (struct sockaddr *)&client_name, &client_name_len);
        if (client_sock == -1)
            error_die("accept");
        if (pthread_create(&newthread , NULL, (void *)accept_request, (void *)(intptr_t)client_sock) != 0)
            perror("pthread_create");
    }
    close(server_sock);
    return(0);
}

HTTP服务器测试客户端

为了测试Tinyhttpd，我们可以使用一个简单的客户端程序。以下是一个简单的客户端示例，它尝试连接到服务器并发送一个字符。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    int sockfd;
    int len;
    struct sockaddr_in address;
    int result;
    char ch = 'A';

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    address.sin_port = htons(9734);
    len = sizeof(address);
    result = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&address, len);
    if (result == -1) {
        perror("oops: client1");
        exit(1);
    }
    write(sockfd, &ch, 1);
    read(sockfd, &ch, 1);
    printf("char from server = %c\n", ch);
    close(sockfd);
    exit(0);
}

编译和运行

Tinyhttpd可以使用提供的Makefile进行编译。以下是Makefile的内容：

all: httpd client
LIBS = -lpthread #-lsocket

httpd: httpd.c
    gcc -g -W -Wall $(LIBS) -o $@ lt;

client: simpleclient.c
    gcc -W -Wall -o $@ lt;

clean:
    rm httpd

结论

通过分析Tinyhttpd的代码，我们不仅能够理解HTTP服务器的基本工作原理，还能够学习如何处理网络请求和响应。这个项目是学习网络编程和HTTP协议的一个很好的起点。

如果你对Tinyhttpd感兴趣，可以下载源代码并进行实验。你可以尝试添加新的功能，或者修改现有的代码以适应不同的需求。这是一个非常好的学习机会，可以帮助你提高你的网络编程技能。

希望这篇文章能够帮助你更好地理解HTTP服务器的工作原理，并激发你对网络编程的兴趣。如果你有任何问题或需要进一步的帮助，请随时联系我们。