深入理解Golang之http server

前言

对于Golang来说,实现一个简单的 http server 非常容易,只需要短短几行代码。同时有了协程的加持,Go实现的 http server 能够取得非常优秀的性能。这篇文章将会对go标准库 net/http 实现http服务的原理进行较为深入的探究,以此来学习了解网络编程的常见范式以及设计思路。

HTTP服务

基于HTTP构建的网络应用包括两个端,即客户端( Client )和服务端( Server )。两个端的交互行为包括从客户端发出 request 、服务端接受 request 进行处理并返回 response 以及客户端处理 response 。所以http服务器的工作就在于如何接受来自客户端的 request ,并向客户端返回 response

典型的http服务端的处理流程可以用下图表示:

服务器在接收到请求时,首先会进入路由( router ),这是一个 Multiplexer ,路由的工作在于为这个 request 找到对应的处理器( handler ),处理器对 request 进行处理,并构建 response 。Golang实现的 http server 同样遵循这样的处理流程。

我们先看看Golang如何实现一个简单的 http server

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
)

func indexHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    fmt.Fprintf(w, "hello world")
}

func main() {
    http.HandleFunc("/", indexHandler)
    http.ListenAndServe(":8000", nil)
}
复制代码

运行代码之后,在浏览器中打开 localhost:8000 就可以看到 hello world 。这段代码先利用 http.HandleFunc 在根路由 / 上注册了一个 indexHandler , 然后利用 http.ListenAndServe 开启监听。当有请求过来时,则根据路由执行对应的 handler 函数。

我们再来看一下另外一种常见的 http server 实现方式:

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
)

type indexHandler struct {
    content string
}

func (ih *indexHandler) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    fmt.Fprintf(w, ih.content)
}

func main() {
    http.Handle("/", &indexHandler{content: "hello world!"})
    http.ListenAndServe(":8001", nil)
}
复制代码

Go实现的 http 服务步骤非常简单,首先注册路由,然后创建服务并开启监听即可。下文我们将从注册路由、开启服务、处理请求这几个步骤了解Golang如何实现 http 服务。

注册路由

http.HandleFunchttp.Handle 都是用于注册路由,可以发现两者的区别在于第二个参数,前者是一个具有 func(w http.ResponseWriter, r *http.Requests) 签名的函数,而后者是一个结构体,该结构体实现了 func(w http.ResponseWriter, r *http.Requests) 签名的方法。

http.HandleFunchttp.Handle 的源码如下:

func HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
    DefaultServeMux.HandleFunc(pattern, handler)
}

// HandleFunc registers the handler function for the given pattern.
func (mux *ServeMux) HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
    if handler == nil {
        panic("http: nil handler")
    }
    mux.Handle(pattern, HandlerFunc(handler))
}
复制代码
func Handle(pattern string, handler Handler) { 
    DefaultServeMux.Handle(pattern, handler)
}
复制代码

可以看到这两个函数最终都由 DefaultServeMux 调用 Handle 方法来完成路由的注册。

这里我们遇到两种类型的对象: ServeMuxHandler ,我们先说 Handler

Handler

Handler 是一个接口:

type Handler interface {
    ServeHTTP(ResponseWriter, *Request)
}
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Handler 接口中声明了名为 ServeHTTP 的函数签名,也就是说任何结构只要实现了这个 ServeHTTP 方法,那么这个结构体就是一个 Handler 对象。其实go的 http 服务都是基于 Handler 进行处理,而 Handler 对象的 ServeHTTP 方法也正是用以处理 request 并构建 response 的核心逻辑所在。

回到上面的 HandleFunc 函数,注意一下这行代码:

mux.Handle(pattern, HandlerFunc(handler))
复制代码

可能有人认为 HandlerFunc 是一个函数,包装了传入的 handler 函数,返回了一个 Handler 对象。然而这里 HandlerFunc 实际上是将 handler 函数做了一个 类型转换 ,看一下 HandlerFunc 的定义:

type HandlerFunc func(ResponseWriter, *Request)

// ServeHTTP calls f(w, r).
func (f HandlerFunc) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
    f(w, r)
}
复制代码

HandlerFunc 是一个类型,只不过表示的是一个具有 func(ResponseWriter, *Request) 签名的函数类型,并且这种类型实现了 ServeHTTP 方法(在 ServeHTTP 方法中又调用了自身),也就是说这个类型的函数其实就是一个 Handler 类型的对象。利用这种类型转换,我们可以将一个 handler 函数转换为一个

Handler 对象,而不需要定义一个结构体,再让这个结构实现 ServeHTTP 方法。读者可以体会一下这种技巧。

ServeMux

Golang中的路由(即 Multiplexer )基于 ServeMux 结构,先看一下 ServeMux 的定义:

type ServeMux struct {
    mu    sync.RWMutex
    m     map[string]muxEntry
    es    []muxEntry // slice of entries sorted from longest to shortest.
    hosts bool       // whether any patterns contain hostnames
}

type muxEntry struct {
    h       Handler
    pattern string
}
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这里重点关注 ServeMux 中的字段 m ,这是一个 mapkey 是路由表达式, value 是一个 muxEntry 结构, muxEntry 结构体存储了对应的路由表达式和 handler

值得注意的是, ServeMux 也实现了 ServeHTTP 方法:

func (mux *ServeMux) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
    if r.RequestURI == "*" {
        if r.ProtoAtLeast(1, 1) {
            w.Header().Set("Connection", "close")
        }
        w.WriteHeader(StatusBadRequest)
        return
    }
    h, _ := mux.Handler(r)
    h.ServeHTTP(w, r)
}
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也就是说 ServeMux 结构体也是 Handler 对象,只不过 ServeMuxServeHTTP 方法不是用来处理具体的 request 和构建 response ,而是用来确定路由注册的 handler

注册路由

搞明白 HandlerServeMux 之后,我们再回到之前的代码:

DefaultServeMux.Handle(pattern, handler)
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这里的 DefaultServeMux 表示一个默认的 Multiplexer ,当我们没有创建自定义的 Multiplexer ,则会自动使用一个默认的 Multiplexer

然后再看一下 ServeMuxHandle 方法具体做了什么:

func (mux *ServeMux) Handle(pattern string, handler Handler) {
    mux.mu.Lock()
    defer mux.mu.Unlock()

    if pattern == "" {
        panic("http: invalid pattern")
    }
    if handler == nil {
        panic("http: nil handler")
    }
    if _, exist := mux.m[pattern]; exist {
        panic("http: multiple registrations for " + pattern)
    }

    if mux.m == nil {
        mux.m = make(map[string]muxEntry)
    }
    // 利用当前的路由和handler创建muxEntry对象
    e := muxEntry{h: handler, pattern: pattern}
    // 向ServeMux的map[string]muxEntry增加新的路由匹配规则
    mux.m[pattern] = e
    // 如果路由表达式以'/'结尾,则将对应的muxEntry对象加入到[]muxEntry中,按照路由表达式长度排序
    if pattern[len(pattern)-1] == '/' {
        mux.es = appendSorted(mux.es, e)
    }

    if pattern[0] != '/' {
        mux.hosts = true
    }
}
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Handle 方法主要做了两件事情:一个就是向 ServeMuxmap[string]muxEntry 增加给定的路由匹配规则;然后如果路由表达式以 '/' 结尾,则将对应的 muxEntry 对象加入到 []muxEntry 中,按照路由表达式长度排序。前者很好理解,但后者可能不太容易看出来有什么作用,这个问题后面再作分析。

自定义ServeMux

我们也可以创建自定义的 ServeMux 取代默认的 DefaultServeMux

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
)

func indexHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    fmt.Fprintf(w, "hello world")
}

func htmlHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    w.Header().Set("Content-Type", "text/html")
    html := `<!doctype html>
    <META http-equiv="Content-Type" content="text/html" charset="utf-8">
    <html lang="zh-CN">
            <head>
                    <title>Golang</title>
                    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0, maximum-scale=1.0, user-scalable=0;" />
            </head>
            <body>
                <div id="app">Welcome!</div>
            </body>
    </html>`
    fmt.Fprintf(w, html)
}

func main() {
    mux := http.NewServeMux()
    mux.Handle("/", http.HandlerFunc(indexHandler))
    mux.HandleFunc("/welcome", htmlHandler)
    http.ListenAndServe(":8001", mux)
}
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NewServeMux() 可以创建一个 ServeMux 实例,之前提到 ServeMux 也实现了 ServeHTTP 方法,因此 mux 也是一个 Handler 对象。对于 ListenAndServe() 方法,如果传入的 handler 参数是自定义 ServeMux 实例 mux ,那么 Server 实例接收到的路由对象将不再是 DefaultServeMux 而是 mux

开启服务

首先从 http.ListenAndServe 这个方法开始:

func ListenAndServe(addr string, handler Handler) error {
    server := &Server{Addr: addr, Handler: handler}
    return server.ListenAndServe()
}

func (srv *Server) ListenAndServe() error {
    if srv.shuttingDown() {
        return ErrServerClosed
    }
    addr := srv.Addr
    if addr == "" {
        addr = ":http"
    }
    ln, err := net.Listen("tcp", addr)
    if err != nil {
        return err
    }
    return srv.Serve(tcpKeepAliveListener{ln.(*net.TCPListener)})
}
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这里先创建了一个 Server 对象,传入了地址和 handler 参数,然后调用 Server 对象 ListenAndServe() 方法。

看一下 Server 这个结构体, Server 结构体中字段比较多,可以先大致了解一下:

type Server struct {
    Addr    string  // TCP address to listen on, ":http" if empty
    Handler Handler // handler to invoke, http.DefaultServeMux if nil
    TLSConfig *tls.Config
    ReadTimeout time.Duration
    ReadHeaderTimeout time.Duration
    WriteTimeout time.Duration
    IdleTimeout time.Duration
    MaxHeaderBytes int
    TLSNextProto map[string]func(*Server, *tls.Conn, Handler)
    ConnState func(net.Conn, ConnState)
    ErrorLog *log.Logger

    disableKeepAlives int32     // accessed atomically.
    inShutdown        int32     // accessed atomically (non-zero means we're in Shutdown)
    nextProtoOnce     sync.Once // guards setupHTTP2_* init
    nextProtoErr      error     // result of http2.ConfigureServer if used

    mu         sync.Mutex
    listeners  map[*net.Listener]struct{}
    activeConn map[*conn]struct{}
    doneChan   chan struct{}
    onShutdown []func()
}
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ServerListenAndServe 方法中,会初始化监听地址 Addr ,同时调用 Listen 方法设置监听。最后将监听的TCP对象传入 Serve 方法:

func (srv *Server) Serve(l net.Listener) error {
    ...

    baseCtx := context.Background() // base is always background, per Issue 16220
    ctx := context.WithValue(baseCtx, ServerContextKey, srv)
    for {
        rw, e := l.Accept() // 等待新的连接建立

        ...

        c := srv.newConn(rw)
        c.setState(c.rwc, StateNew) // before Serve can return
        go c.serve(ctx) // 创建新的协程处理请求
    }
}
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这里隐去了一些细节,以便了解 Serve 方法的主要逻辑。首先创建一个上下文对象,然后调用 ListenerAccept() 等待新的连接建立;一旦有新的连接建立,则调用 ServernewConn() 创建新的连接对象,并将连接的状态标志为 StateNew ,然后开启一个新的 goroutine 处理连接请求。

处理连接

我们继续探索 connserve() 方法,这个方法同样很长,我们同样只看关键逻辑。坚持一下,马上就要看见大海了。

func (c *conn) serve(ctx context.Context) {

    ...

    for {
        w, err := c.readRequest(ctx)
        if c.r.remain != c.server.initialReadLimitSize() {
            // If we read any bytes off the wire, we're active.
            c.setState(c.rwc, StateActive)
        }

        ...

        // HTTP cannot have multiple simultaneous active requests.[*]
        // Until the server replies to this request, it can't read another,
        // so we might as well run the handler in this goroutine.
        // [*] Not strictly true: HTTP pipelining. We could let them all process
        // in parallel even if their responses need to be serialized.
        // But we're not going to implement HTTP pipelining because it
        // was never deployed in the wild and the answer is HTTP/2.
        serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)
        w.cancelCtx()
        if c.hijacked() {
            return
        }
        w.finishRequest()
        if !w.shouldReuseConnection() {
            if w.requestBodyLimitHit || w.closedRequestBodyEarly() {
                c.closeWriteAndWait()
            }
            return
        }
        c.setState(c.rwc, StateIdle)
        c.curReq.Store((*response)(nil))

        ...
    }
}
复制代码

当一个连接建立之后,该连接中所有的请求都将在这个协程中进行处理,直到连接被关闭。在 serve() 方法中会循环调用 readRequest() 方法读取下一个请求进行处理,其中最关键的逻辑就是一行代码:

serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)
复制代码

进一步解释 serverHandler

type serverHandler struct {
    srv *Server
}

func (sh serverHandler) ServeHTTP(rw ResponseWriter, req *Request) {
    handler := sh.srv.Handler
    if handler == nil {
        handler = DefaultServeMux
    }
    if req.RequestURI == "*" && req.Method == "OPTIONS" {
        handler = globalOptionsHandler{}
    }
    handler.ServeHTTP(rw, req)
}
复制代码

serverHandlerServeHTTP() 方法里的 sh.srv.Handler 其实就是我们最初在 http.ListenAndServe() 中传入的 Handler 对象,也就是我们自定义的 ServeMux 对象。如果该 Handler 对象为 nil ,则会使用默认的 DefaultServeMux 。最后调用 ServeMuxServeHTTP() 方法匹配当前路由对应的 handler 方法。

后面的逻辑就相对简单清晰了,主要在于调用 ServeMuxmatch 方法匹配到对应的已注册的路由表达式和 handler

// ServeHTTP dispatches the request to the handler whose
// pattern most closely matches the request URL.
func (mux *ServeMux) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
    if r.RequestURI == "*" {
        if r.ProtoAtLeast(1, 1) {
            w.Header().Set("Connection", "close")
        }
        w.WriteHeader(StatusBadRequest)
        return
    }
    h, _ := mux.Handler(r)
    h.ServeHTTP(w, r)
}

func (mux *ServeMux) handler(host, path string) (h Handler, pattern string) {
    mux.mu.RLock()
    defer mux.mu.RUnlock()

    // Host-specific pattern takes precedence over generic ones
    if mux.hosts {
        h, pattern = mux.match(host + path)
    }
    if h == nil {
        h, pattern = mux.match(path)
    }
    if h == nil {
        h, pattern = NotFoundHandler(), ""
    }
    return
}

// Find a handler on a handler map given a path string.
// Most-specific (longest) pattern wins.
func (mux *ServeMux) match(path string) (h Handler, pattern string) {
    // Check for exact match first.
    v, ok := mux.m[path]
    if ok {
        return v.h, v.pattern
    }

    // Check for longest valid match.  mux.es contains all patterns
    // that end in / sorted from longest to shortest.
    for _, e := range mux.es {
        if strings.HasPrefix(path, e.pattern) {
            return e.h, e.pattern
        }
    }
    return nil, ""
}
复制代码

match 方法里我们看到之前提到的 map[string]muxEntry[]muxEntry 。这个方法里首先会利用进行精确匹配,在 map[string]muxEntry 中查找是否有对应的路由规则存在;如果没有匹配的路由规则,则会进行近似匹配。

对于类似 /path1/path2/path3 这样的路由,如果不能找到精确匹配的路由规则,那么则会去匹配和当前路由最接近的已注册的父路由,所以如果路由 /path1/path2/ 已注册,那么该路由会被匹配,否则继续匹配父路由,知道根路由 /

由于 []muxEntry 中的 muxEntry 按照路由表达是从长到短排序,所以进行近似匹配时匹配到的路由一定是已注册父路由中最接近的。

至此,Go实现的 http server 的大致原理介绍完毕!

总结

Golang通过 ServeMux 定义了一个多路器来管理路由,并通过 Handler 接口定义了路由处理函数的统一规范,即 Handler 都须实现 ServeHTTP 方法;同时 Handler 接口提供了强大的扩展性,方便开发者通过 Handler 接口实现各种中间件。相信大家阅读下来也能感受到 Handler 对象在 server 服务的实现中真的无处不在。理解了 server 实现的基本原理,大家就可以在此基础上阅读一些第三方的 http server 框架,以及编写特定功能的中间件。

以上。

参考资料

【Golang标准库文档--net/http】

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