golang 构建HTTP服务 - 《Golang 学习笔记》

HTTP
Handler
ServeMux
Server
创建HTTP服务
http注册路由
开启监听
处理请求

一个go最简单的Http服务器程序

package main
import (
    "fmt"
    "net/http"
)
func IndexHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    fmt.Fprintln(w, "hello world")
}
func main() {
    http.HandleFunc("/", IndexHandler)
    http.ListenAndServe("127.0.0.0:8000", nil)
}

HTTP

除去细节，理解HTTP构建的网络应用只要关注两个端—客户端(client)和服务端(server)，两个端的交互来自client的request，以及server端的response。所谓的http服务器，主要在于如何接受client的request，并向client返回response。

接收request的过程中，最重要的莫过于路由(router)，即实现一个Multiplexer器。Go中既可以使用内置的mutilplexer—DefaultServeMux,也可以自定义。Multiplexer路由的目的就是为了找到处理器函数(hander),后者将对request进行处理，同时构建response。

简单总结就是这个流程：
golang 构建HTTP服务 - 图1
因此，理解go中的http服务，，最重要的就是要理解Multiplexer和hander，Golang中的Multiplexer基于ServerMux结构，同时也实现了Handler接口。

hander函数：具有func(w http.ResponseWriter, r *http.Requests)签名的函数
handler处理器(函数)：经过HanderFunc结构包装的handler函数，它实现了ServeHTTP接口方法的函数。调用handler处理器的ServeHTTP方法时，即调用handler函数本身。
handler对象：实现了Hander接口ServeHTTP方法的结构。

golang 构建HTTP服务 - 图2

Golang的http处理流程可以用下面一张图表示，后面内容是针对图进行说明： golang 构建HTTP服务 - 图3

Handler

Golang没有继承，类多态的方法可以通过接口实现。所谓接口则是定义声明了函数签名，任何结构只要实现了与接口函数签名相同的方法，就等同于实现了接口。go的http服务都是基于handler进行处理的。

type Handler interface {
    ServeHTTP(ResponseWriter, *Request)
}

任何结构体，只要实现了ServeHTTP方法，这个结构就可以称之为handler对象。ServeMux会使用handler并调用其ServeHTTP方法处理请求并返回响应。

ServeMux

了解了Handler之后，再看ServeMux。ServeMux源码很简单：

type ServeMux struct {
    mu    sync.RWMutex
    m     map[string]muxEntry
    hosts bool 
}
type muxEntry struct {
    explicit bool
    h        Handler
    pattern  string
}

ServeMux结构中最重要的字段为m，这是一个map，key是一些url模式，value是一个muxEntry结构，后者里定义存储了具体的url模式和handler。
当然，所谓的ServeMux也实现了ServeHTTP接口，也算是一个handler，不过ServeMux的ServeHTTP方法不是用来处理request和respone，而是用来找到路由注册的handler。

Server

除了ServeMux和Handler，还有一个结构Server需要了解。从http.ListenAndServe的源码可以看出，它创建了一个server对象，并调用server对象的ListenAndServe方法：

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

查看server的结构如下：

type Server struct {
    Addr         string        
    Handler      Handler       
    ReadTimeout  time.Duration 
    WriteTimeout time.Duration 
    TLSConfig    *tls.Config   
    MaxHeaderBytes int
    TLSNextProto map[string]func(*Server, *tls.Conn, Handler)
    ConnState func(net.Conn, ConnState)
    ErrorLog *log.Logger
    disableKeepAlives int32     nextProtoOnce     sync.Once 
    nextProtoErr      error     
}

server结构存储了服务器处理请求常见的字段。其中Handler字段也保留Hander接口。如果Server接口没有提供Handler结构对象，那么会使用DefaultServeMux做Multiplexer。

创建HTTP服务

创建一个http服务，大致需要经历两个过程，首先需要注册路由，即提供url模式和handler函数的映射，其次就是实例化一个server对象，并开启对客户端的监听。

http.HandleFunc("/", indexHandler)
http.ListenAndServe("127.0.0.1:8000", nil)

或者：

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

http注册路由

net/http包暴露的注册路由的api很简单，http.HandleFunc选取了DefaultServeMux作为multiplexer：

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

 实际上，DefaultServeMux是ServeMux的一个实例。当然http包也提供了NewServeMux方法创建一个ServeMux实例，默认则创建一个DefaultServeMux：

// NewServeMux allocates and returns a new ServeMux.
func NewServeMux() *ServeMux {
    return new(ServeMux)
}
// DefaultServeMux is the default ServeMux used by Serve.
var DefaultServeMux = &defaultServeMux
var defaultServeMux ServeMux

注意，go创建实例的过程中，也可以使用指针方式，即

type Server struct{}
server := Server{}

和下面的一样都可以创建Server的实例

var DefaultServer Server
var server = &DefalutServer

因此DefaultServeMux的HandleFunc(pattern,handler)方法实际是定义在ServeMux下的：

func (mux *ServeMux) HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
    mux.Handle(pattern, HandlerFunc(handler))
}

上述代码中，HandlerFunc是一个函数类型。同时实现了Handler接口的ServeHTTP方法。使用HandlerFunc类型包装一下路由定义的indexHandler函数，其目的就是为了让这个函数也实现ServeHTTP方法，即转变成一个handler处理器(函数)。

type HandlerFunc func(ResponseWriter, *Request)
func (f HandlerFunc) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
    f(w, r)
}

一旦这样做了，就意味着我们的indexHandler函数也有了ServeHTTP方法。
此外，ServeMux的Handle方法，将会对pattern和handler函数做一个map映射：

func (mux *ServeMux) Handle(pattern string, handler Handler) {
    mux.mu.Lock()
    defer mux.mu.Unlock()
    if pattern == "" {
        panic("http: invalid pattern " + pattern)
    }
    if handler == nil {
        panic("http: nil handler")
    }
    if mux.m[pattern].explicit {
        panic("http: multiple registrations for " + pattern)
    }
    if mux.m == nil {
        mux.m = make(map[string]muxEntry)
    }
    mux.m[pattern] = muxEntry{explicit: true, h: handler, pattern: pattern}
    if pattern[0] != '/' {
        mux.hosts = true
    }
    n := len(pattern)
    if n > 0 && pattern[n-1] == '/' && !mux.m[pattern[0:n-1]].explicit {
        path := pattern
        if pattern[0] != '/' {
            path = pattern[strings.Index(pattern, "/"):]
        }
        url := &url.URL{Path: path}
        mux.m[pattern[0:n-1]] = muxEntry{h: RedirectHandler(url.String(), StatusMovedPermanently), pattern: pattern}
    }
}

由此可见，Handle函数的主要目的在于把handler和pattern模式绑定到map[string]muxEntry的map上，其中muxEntry保存了更多pattern和handler的信息。Server的m字段就是map[string]muxEntry这样一个map。
此时，pattern和handler的路由注册完成。

开启监听

注册好路由之后，启动web服务还需要开启服务器监听。http的ListenAndServer方法中可以看到创建了一个Server对象，并调用了Server对象的同名方法：

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

Server的ListenAndServer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 {
    defer l.Close()
    ...
    baseCtx := context.Background()
    ctx := context.WithValue(baseCtx, ServerContextKey, srv)
    ctx = context.WithValue(ctx, LocalAddrContextKey, l.Addr())
    for {
        rw, e := l.Accept()
        ...
        c := srv.newConn(rw)
        c.setState(c.rwc, StateNew) // before Serve can return
        go c.serve(ctx)
    }
}

处理请求

监听开启之后，一旦客户端请求到底，go就开启一个协程处理请求，主要逻辑都在server方法之中。
serve方法比较长，其主要职能就是，创建一个上下文对象，然后调用Listener的Accept方法用来获取连接数据并使用newConn方法创建连接对象。最后使用goroutein协程的方式处理连接请求。因此每一个连接都开启了一个协程，请求的上下文都不同，同时又保证了go的高并发。serve也是一个长长的方法：

func (c *conn) serve(ctx context.Context) {
    c.remoteAddr = c.rwc.RemoteAddr().String()
    defer func() {
        if err := recover(); err != nil {
            const size = 64 << 10
            buf := make([]byte, size)
            buf = buf[:runtime.Stack(buf, false)]
            c.server.logf("http: panic serving %v: %v\n%s", c.remoteAddr, err, buf)
        }
        if !c.hijacked() {
            c.close()
            c.setState(c.rwc, StateClosed)
        }
    }()
    ...
    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)
        }
        ...
        }
        ...
        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)
    }
}

尽管serve很长，里面的结构和逻辑还是很清晰的，使用defer定义了函数退出时，连接关闭相关的处理。然后就是读取连接的网络数据，并处理读取完毕时候的状态。接下来就是调用serverHandler{c.server}.ServeHTTP（w,w.req)方法处理请求了。最后就是请求处理完毕的逻辑。serverHandler是一个重要的结构，它仅有一个字段，即Server结构，同时它也实现了Hander接口方法ServeHTTP，同时它也实现了Handler接口方法ServeHTTP，并在该接口方法中做了一个重要的事情，初始化multiplexer路由多路复用器。如果server对象没有制定Handler，则使用默认的DefaultServeMux作为路由Multiplexer。并调用初始化Handler的ServeHTTP方法。

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)
}

这里DefaultServeMux的ServeHTTP方法其实也是定义在ServeMux结构中的，相关代码如下：

func (mux *ServeMux) (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(r *Request) (h Handler, pattern string) {
    if r.Method != "CONNECT" {
        if p := cleanPath(r.URL.Path); p != r.URL.Path {
            _, pattern = mux.handler(r.Host, p)
            url := *r.URL
            url.Path = p
            return RedirectHandler(url.String(), StatusMovedPermanently), pattern
        }
    }
    return mux.handler(r.Host, r.URL.Path)
}
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
}
func (mux *ServeMux) match(path string) (h Handler, pattern string) {
    var n = 0
    for k, v := range mux.m {
        if !pathMatch(k, path) {
        continue
    }
    if h == nil || len(k) > n {
        n = len(k)
        h = v.h
        pattern = v.pattern
        }
    }
    return
}

mux的ServeHTTP方法通过调用其Handler方法寻找注册到路由上的handler函数，并调用该函数的ServeHTTP方法。
mux的Handler方法对URL简单的处理，然后调用handler方法，后者会创建一个锁，同时调用match方法返回一个handler和pattern。
在match方法中，mux的m字段是map[string]muxEntry，后者存储了pattern和handler处理器函数，因此通过迭代m寻找出注册路由的pattern模式与实际url匹配的handler函数并返回。
返回的结构一直传递到mux的ServeHTTP方法，接下来调用handler函数的ServeHTTP方法，即IndexHandler函数，然后把reponse写到http.RequestWirter对象返回给客户端。

上述函数运行结束即serverHandler{c.server}.ServeHTTP（w, w.req)运行结束。接下来就是对请求处理完毕之后上希望和连接断开的相关逻辑。

至此，Golang中一个完整的http服务介绍完毕，包括注册路由，开启监听，处理连接，路由处理函数。

golang 构建HTTP服务 - 图4