C 語言實現一個簡單的 web 伺服器的原理解析
說到 web 伺服器想必大多數人首先想到的協議是 http，那麼 http 之下則是 tcp，本篇文章將通過 tcp 來實現一個簡單的 web 伺服器。
本篇文章將著重講解如何實現，對於 http 與 tcp 的概念本篇將不過多講解。
一、瞭解 Socket 及 web 服務工作原理
既然是基於 tcp 實現 web 伺服器，很多學習 C 語言的小夥伴可能會很快的想到套接字 socket。socket 是一個較為抽象的通訊程序，或者說是主機與主機進行資訊互動的一種抽象。socket 可以將資料流送入網路中，也可以接收資料流。
socket 的資訊互動與本地檔案資訊的讀取從表面特徵上看類似，但其中所存在的編寫複雜度是本地 IO 不能比擬的，但卻有相似點。在 win 下 socket 的互動互動步驟為：WSAStartup 進行初始化--> socket 建立套接字--> bind 繫結--> listen 監聽--> connect 連線--> accept 接收請求--> send/recv 傳送或接收資料--> closesocket 關閉 socket--> WSACleanup 最終關閉。
瞭解完了一個 socket 的基本步驟後我們瞭解一下一個基本 web 請求的使用者常規操作，操作分為：開啟瀏覽器-->輸入資源地址 ip 地址-->得到資源。當目標伺服器接收到該操作產生掉請求後，我們可以把伺服器的響應流程步驟看為：獲得 request 請求-->得到請求關鍵資料-->獲取關鍵資料-->傳送關鍵資料。伺服器的這一步流程是在啟動socket 進行監聽後才能響應。通過監聽得知接收到請求，使用 recv 接收請求資料，從而根據該引數得到進行資源獲取，最後通過 send 將資料進行返回。
二、建立sokect完成監聽
2.1 WSAStartup初始化
首先在c語言標頭檔案中引入依賴 WinSock2.h：
#include <WinSock2.h>
在第一點中對 socket 的建立步驟已有說明，首先需要完成 socket 的初始化操作，使用函式 WSAStartup，該函式的原型為：
int WSAStartup( WORD wVersionRequired,LPWSADATA lpWSAData );
該函式的引數 wVersionRequired 表示 WinSock2 的版本號；lpWSAData 引數為指向 WSADATA 的指標，WSADATA 結構用於 WSAStartup 初始化後返回的資訊。
wVersionRequired 可以使用 MAKEWORD 生成，在這裡可以使用版本 1.1 或版本2.2，1.1 只支援 TCP/IP，版本 2.1 則會有更多的支援，在此我們選擇版本 1.1。
首先宣告一個 WSADATA 結構體 ：
WSADATA wsaData;
隨後傳參至初始化函式 WSAStartup 完成初始化：
WSAStartup(MAKEWORD(1,1),&wsaData)
WSAStartup 若初始化失敗則會返回非0值：
if (WSAStartup(MAKEWORD(1,&wsaData) != 0)
{
exit(1);
}
2.2 建立socket 套接字
初始化完畢後開始建立套接字，套接字建立使用函式，函式原型為：
SOCKET WSAAPI socket( int af,int type,int protocol );
在函式原型中，af 表示 IP 地址型別，使用 PF_INET 表示 IPV4，type 表示使用哪種通訊型別，例如 SOCK_STREAM 表示 TCP，protocol 表示傳輸協議，使用 0 會根據前 2 個引數使用預設值。
int skt = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
建立完 socket 後，若為 -1 表示建立失敗，進行判斷如下：
if (skt == -1)
{
return -1;
}
2.3 繫結伺服器
建立完 socket 後需要對伺服器進行繫結，配置埠資訊、IP 地址等。 首先檢視 bind 函式需要哪一些引數，函式原型如下：
int bind( SOCKET socket,const sockaddr *addr,int addrlen );
引數 socket 表示繫結的 socket，傳入 socket 即可；addr 為 sockaddr_in 的結構體變數的指標，在 sockaddr_in 結構體變數中配置一些伺服器資訊；addrlen 為 addr 的大小值。
通過 bind 函式原型得知了我們所需要的資料，接下來建立一個 sockaddr_in 結構體變數用於配置伺服器資訊：
struct sockaddr_in server_addr;
隨後配置地址家族為AF_INET對應TCP/IP：
server_addr.sin_family = AF_INET;
接著配置埠資訊：
server_addr.sin_port = htons(8080);
再指定 ip 地址：
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
ip 地址若不確定可以手動輸入，最後使用神器 memset 初始化記憶體，完整程式碼如下：
//配置伺服器
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
memset(&(server_addr.sin_zero),'\0',8);
隨後使用 bind 函式進行繫結且進行判斷是否繫結成功：
//繫結
if (bind(skt,(struct sockaddr *)&server_addr,sizeof(server_addr)) == -1) {
return -1;
}
2.4 listen進行監聽
繫結成功後開始對埠進行監聽。檢視 listen 函式原型：
int listen( int sockfd,int backlog )
函式原型中，引數 sockfd 表示監聽的套接字，backlog 為設定核心中的某一些處理（此處不進行深入講解），直接設定成 10 即可，最大上限為 128。使用監聽並且判斷是否成功程式碼為：
if (listen(skt,10) == -1 ) {
return -1;
}
此階段完整程式碼如下：
#include <WinSock2.h>
#include<stdio.h>
int main(){
//初始化
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(1,&wsaData) != 0) {
exit(1);
}
//socket建立
int skt = socket(PF_INET,0);
if (skt == -1) {
return -1;
}
//配置伺服器
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
memset(&(server_addr.sin_zero),8);
//繫結
if (bind(skt,sizeof(server_addr)) == -1){
return -1;
}
//監聽
if (listen(skt,10) == -1 ) {
return -1;
}
printf("Listening ... ...\n");
}
執行程式碼可得知程式碼無錯誤，並且輸出 listening：
2.5 獲取請求
監聽完成後開始獲取請求。受限需要使用 accept 對套接字進行連線，accept 函式原型如下：
int accept( int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen );
引數 sockfd 為指定的套接字；addr 為指向 struct sockaddr 的指標，一般為客戶端地址；addrlen 一般設定為設定為 sizeof(struct sockaddr_in) 即可。程式碼為：
struct sockaddr_in c_skt; int s_size=sizeof(struct sockaddr_in); int access_skt = accept(skt,(struct sockaddr *)&c_skt,&s_size);
接下來開始接受客戶端的請求，使用recv函式，函式原型為：
ssize_t recv( int sockfd,void *buf,size_t len,int flags )
引數 sockfd 為 accept 建立的通訊；buf 為快取，資料存放的位置；len 為快取大小；flags 一般設定為0即可：
//獲取資料
char buf[1024];
if (recv(access_skt,buf,1024,0) == -1) {
exit(1);
}
此時我們再到 accpt 和 recv 外層新增一個迴圈，使之流程可重複：
while(1){
//建立連線
printf("Listening ... ...\n");
struct sockaddr_in c_skt;
int s_size=sizeof(struct sockaddr_in);
int access_skt = accept(skt,&s_size);
//獲取資料
char buf[1024];
if (recv(access_skt,0) == -1) {
exit(1);
}
}
並且可以在瀏覽器輸入 127.0.0.1:8080 將會看到客戶端列印了 listening 新建了連結:
我們新增printf語句可檢視客戶端請求：
while(1){
//建立連線
printf("Listening ... ...\n");
struct sockaddr_in c_skt;
int s_size=sizeof(struct sockaddr_in);
int access_skt = accept(skt,0) == -1) {
exit(1);
}
printf("%s",buf);
}
接下來我們對請求頭進行對應的操作。
2.6 請求處理層編寫
得到請求後開始編寫處理層。繼續接著程式碼往下寫沒有層級，編寫一個函式名為 req，該函式接收請求資訊與一個建立好的連線為引數：
void req(char* buf,int access_socket)
{
}
然後先在 while 迴圈中傳遞需要的值：
req(buf,access_skt);
接著開始編寫 req 函式，首先在 req 函式中標記當前目錄下：
char arguments[BUFSIZ]; strcpy(arguments,"./");
隨後分離出請求與引數：
char command[BUFSIZ]; sscanf(request,"%s%s",command,arguments+2);
接著我們標記一些頭元素：
char* extension = "text/html"; char* content_type = "text/plain"; char* body_length = "Content-Length: ";
接著獲取請求引數，若獲取 index.html，就獲取當前路徑下的該檔案：
FILE* rfile= fopen(arguments,"rb");
獲取檔案後表示請求 ok，我們先返回一個 200 狀態：
char* head = "HTTP/1.1 200 OK\r\n"; int len; char ctype[30] = "Content-type:text/html\r\n"; len = strlen(head);
接著編寫一個傳送函式 send_：
int send_(int s,char *buf,int *len)
{
int total;
int bytesleft;
int n;
total=0;
bytesleft=*len;
while(total < *len)
{
n = send(s,buf+total,bytesleft,0);
if (n == -1)
{
break;
}
total += n;
bytesleft -= n;
}
*len = total;
return n==-1?-1:0;
}
send 函式功能並不難在此不再贅述，就是一個遍歷傳送的邏輯。隨後傳送 http 響應與檔案型別：
send_(send_to,head,&len); len = strlen(ctype); send_(send_to,ctype,&len);
隨後獲得請求檔案的描述，需要新增標頭檔案#include <sys/stat.h>使用fstat，且向已連線的通訊發生必要的資訊 ：
//獲取檔案描述 struct stat statbuf; char read_buf[1024]; char length_buf[20]; fstat(fileno(rfile),&statbuf); itoa( statbuf.st_size,length_buf,10 ); send(client_sock,body_length,strlen(body_length),0); send(client_sock,strlen(length_buf),0); send(client_sock,"\n",1,"\r\n",2,0);
最後傳送資料：
//·資料傳送
char read_buf[1024];
len = fread(read_buf,statbuf.st_size,rfile);
if (send_(client_sock,read_buf,&len) == -1) {
printf("error!");
}
最後訪問地址 http://127.0.0.1:8080/index.html，得到當前目錄下 index.html 檔案資料，並且在瀏覽器渲染：
所有程式碼如下：
#include <WinSock2.h>
#include<stdio.h>
#include <sys/stat.h>
int send_(int s,int *len) {
int total;
int bytesleft;
int n;
total=0;
bytesleft=*len;
while(total < *len)
{
n = send(s,0);
if (n == -1)
{
break;
}
total += n;
bytesleft -= n;
}
*len = total;
return n==-1?-1:0;
}
void req(char* request,int client_sock) {
char arguments[BUFSIZ];
strcpy(arguments,"./");
char command[BUFSIZ];
sscanf(request,arguments+2);
char* extension = "text/html";
char* content_type = "text/plain";
char* body_length = "Content-Length: ";
FILE* rfile= fopen(arguments,"rb");
char* head = "HTTP/1.1 200 OK\r\n";
int len;
char ctype[30] = "Content-type:text/html\r\n";
len = strlen(head);
send_(client_sock,&len);
len = strlen(ctype);
send_(client_sock,&len);
struct stat statbuf;
char length_buf[20];
fstat(fileno(rfile),&statbuf);
itoa( statbuf.st_size,10 );
send(client_sock,0);
send(client_sock,0);
send(client_sock,0);
char read_buf[1024];
len = fread(read_buf,rfile);
if (send_(client_sock,&len) == -1) {
printf("error!");
}
return;
}
int main(){
WSADATA wsaData;
if (WSAStartup(MAKEWORD(1,&wsaData) != 0) {
exit(1);
}
int skt = socket(PF_INET,0);
if (skt == -1) {
return -1;
}
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
memset(&(server_addr.sin_zero),8);
if (bind(skt,sizeof(server_addr)) == -1) {
return -1;
}
if (listen(skt,10) == -1 ) {
return -1;
}
while(1){
printf("Listening ... ...\n");
struct sockaddr_in c_skt;
int s_size=sizeof(struct sockaddr_in);
int access_skt = accept(skt,&s_size);
char buf[1024];
if (recv(access_skt,0) == -1) {
exit(1);
}
req(buf,access_skt);
}
}
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