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自己动手开发网络服务器

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有一天,一位女士散步时经过一个工地,看见有三个工人在干活。她问第一个人,“你在做什么?”第一个人有点不高兴,吼道“难道你看不出来我在砌砖吗?”女士对这个答案并不满意,接着问第二个人他在做什么。第二个人回答道,“我正在建造一堵砖墙。”然后,他转向第一个人,说道:“嘿,你砌的砖已经超过墙高了。你得把最后一块砖拿下来。”女士对这个答案还是不满意,她接着问第三个人他在做什么。第三个人抬头看着天空,对她说:“我在建造这个世界上有史以来最大的教堂”。就在他望着天空出神的时候,另外两个人已经开始争吵多出的那块砖。他慢慢转向前两个人,说道:“兄弟们,别管那块砖了。这是一堵内墙,之后还会被刷上石灰的,没人会注意到这块砖。接着砌下层吧。”

这个故事的寓意在于,当你掌握了整个系统的设计,明白不同的组件是以何种方式组合在一起的(砖块,墙,教堂)时候,你就能够更快地发现并解决问题(多出的砖块)。

但是,这个故事与从头开发一个网络服务器有什么关系呢?

在我看来,要成为一名更优秀的程序员,你 必须 更好地理解自己日常使用的软件系统,而这就包括了编程语言、编译器、解释器、数据库与操作系统、网络服务器和网络开发框架。而要想更好、更深刻地理解这些系统,你 必须 从头重新开发这些系统,一步一个脚印地重来一遍。

孔子曰:不闻不若闻之,闻之不若见之,见之不若知之,知之不若行之。

不闻不若闻之

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闻之不若见之

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见之不若知之,知之不若行之。

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译者注:上面原作者所引用的那段话在国外的翻译是:I hear and I forget, I see and I remember, I do and I understand。外国人普遍认为出自孔子,但在查找这句英文的出处时,查到 有篇博文 称这句话的中文实际出自荀子的《儒效篇》,经查确实如此。

我希望你读到这里的时候,已经认可了通过重新开发不同软件系统来学习其原理这种方式。

《自己动手开发网络服务器》会分为三个部分,将介绍如何从头开发一个简易网络服务器。我们这就开始吧。

首先,到底什么是网络服务器?

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简而言之,它是在物理服务器上搭建的一个网络连接服务器(networking server),永久地等待客户端发送请求。当服务器收到请求之后,它会生成响应并将其返回至客户端。客户端与服务器之间的通信,是以HTTP协议进行的。客户端可以是浏览器,也可以是任何支持HTTP协议的软件。

那么,网络服务器的简单实现形式会是怎样的呢?下面是我对此的理解。示例代码使用Python语言实现,不过即使你不懂Python语言,你应该也可以从代码和下面的解释中理解相关的概念:

import socket  HOST, PORT = '', 8888  listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1) listen_socket.bind((HOST, PORT)) listen_socket.listen(1) print 'Serving HTTP on port %s ...' % PORT while True:     client_connection, client_address = listen_socket.accept()     request = client_connection.recv(1024)     print request      http_response = """/     HTTP/1.1 200 OK      Hello, World!     """      client_connection.sendall(http_response)     client_connection.close()

将上面的代码保存为 webserver1.py ,或者直接从我的 Github仓库 下载,然后通过命令行运行该文件:

$ python webserver1.py Serving HTTP on port 8888

接下来,在浏览器的地址栏输入这个链接:http://localhost:8888/hello,然后按下回车键,你就会看见神奇的一幕。在浏览器中,应该会出现“Hello, World!”这句话:

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是不是很神奇?接下来,我们来分析背后的实现原理。

首先,我们来看你所输入的网络地址。它的名字叫URL(Uniform Resource Locator,统一资源定位符),其基本结构如下:

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通过URL,你告诉了浏览器它所需要发现并连接的网络服务器地址,以及获取服务器上的页面路径。不过在浏览器发送HTTP请求之前,它首先要与目标网络服务器建立TCP连接。然后,浏览器再通过TCP连接发送HTTP请求至服务器,并等待服务器返回HTTP响应。当浏览器收到响应的时候,就会在页面上显示响应的内容,而在上面的例子中,浏览器显示的就是“Hello, World!”这句话。

那么,在客户端发送请求、服务器返回响应之前,二者究竟是如何建立起TCP连接的呢?要建立起TCP连接,服务器和客户端都使用了所谓的套接字(socket)。接下来,我们不直接使用浏览器,而是在命令行使用 telnet 手动模拟浏览器。

在运行网络服务器的同一台电脑商,通过命令行开启一次 telnet 会话,将需要连接的主机设置为 localhost ,主机的连接端口设置为 8888 ,然后按回车键:

$ telnet localhost 8888 Trying 127.0.0.1 … Connected to localhost.

完成这些操作之后,你其实已经与本地运行的网络服务器建立了TCP连接,随时可以发送和接收HTTP信息。在下面这张图片里,展示的是服务器接受新TCP连接所需要完成的标准流程。

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在上面那个 telnet 会话中,我们输入 GET /hello HTTP/1.1 ,然后按下回车:

$ telnet localhost 8888 Trying 127.0.0.1 … Connected to localhost. GET /hello HTTP/1.1  HTTP/1.1 200 OK Hello, World!

你成功地手动模拟了浏览器!你手动发送了一条HTTP请求,然后收到了HTTP响应。下面这幅图展示的是HTTP请求的基本结构:

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HTTP请求行包括了HTTP方法(这里使用的是 GET 方法,因为我们希望从服务器获取内容),服务器页面路径( /hello )以及HTTP协议的版本。

为了尽量简化,我们目前实现的网络服务器并不会解析上面的请求,你完全可以输入一些没有任何意义的代码,也一样可以收到"Hello, World!"响应。

在你输入请求代码并按下回车键之后,客户端就将该请求发送至服务器了,服务器则会解析你发送的请求,并返回相应的HTTP响应。

下面这张图显示的是服务器返回至客户端的HTTP响应详情:

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我们来分析一下。响应中包含了状态行 HTTP/1.1 200 OK ,之后是必须的空行,然后是HTTP响应的正文。

响应的状态行 HTTP/1.1 200 OK 中,包含了HTTP版本、HTTP状态码以及与状态码相对应的原因短语(Reason Phrase)。浏览器收到响应之后,会显示响应的正文,这就是为什么你会在浏览器中看到“Hello, World!”这句话。

这就是网络服务器基本的工作原理了。简单回顾一下:网络服务器首先创建一个侦听套接字(listening socket),并开启一个永续循环接收新连接;客户端启动一个与服务器的TCP连接,成功建立连接之后,向服务器发送HTTP请求,之后服务器返回HTTP响应。要建立TCP连接,客户端和服务器都使用了套接字。

现在,你已经拥有了一个基本可用的简易网络服务器,你可以使用浏览器或其他HTTP客户端进行测试。正如上文所展示的,通过 telnet 命令并手动输入HTTP请求,你自己也可以成为一个HTTP客户端。

下面给大家布置一道思考题:如何在不对服务器代码作任何修改的情况下,通过该服务器运行Djando应用、Flask应用和Pyramid应用,同时满足这些不同网络框架的要求?下一页为你解答

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