基于Java的高效兼容HTTP服务器的研究及实现(20210313181224)

1、1基于Java的高效兼容HTTF服务器的研究及实现目录摘要. 1一、引言. 4二、HTTP服务器模型 . 5（一） .、超文本传输协议 5（二） .、Java API中网络类包简介6（三）.、HTTP客户机与服务器的交互涉及骤7（四）.、HHTP 操作的一次事务（Transaction） 8（五）.、HTTP消息 8三、HTTP服务器的兼容性 . 9四、Java实现多线程HTTP艮务器设计 . 10（一）.、Java语言网络编程 10（二） .、服务器总体设计 121、总体设计的关键点. 122、模块设计 . 123、HTTP服务器各类之间关系 . 14（三） .、服务器详细设计分析 151、

2、线程重用 . 152、 .各类和接口的主要功能152（四）.、Java多线程机制的应用 17五、HTTP服务器运行 . 23六、结束语 . 24参考文献 . 25、引言SUN推出Java语言之后，全世界的目光都被这个神奇的语言所吸 引，Java语言从一开始就内置了支持网络编程，因此更容易编写网络应 用程序；这也是与其他编程语言不同的地方。Java提供了大量类和接口可以处理各种网络协议，共享信息，并行计算，应用程序服务等优秀特 点使java技术将会得到广泛的应用。Java是实现定制客户机和服务器的 优秀工具，因为它支持多种在网络上发送和接收数据、提供服务、接收 数据、调用服务的技术。Java作为

3、一种面向分布式计算机环境语言，提 供了完全意义的多线程支持，利用多线程编程接口，可以方便地写出支 持多线程的应用程序，这一点也是 Java所特有的。随着In ternet的普及 和Web技术的迅速发展，客户/服务器结构逐渐转向浏览器/服务器方向， Web文本发布具有简洁、生动、形象等特点，适用于发布信息，开发基 于Browser/Server模式的Web数据库信息检索系统得到广泛应用。Web服务基于超文本传输协议（HTTP协议）。Java语言所具有的良好兼容性 、安全性、健壮性及可扩展的跨平台等特性，使得 Java成为开发基于B/S模式的Web数据库应用的首选计算机语言。本文使用Java开发一

4、个高效兼容的HTTP服务器原型。（如图一）3该多线程HTTP服务器使用Serversocket （服务器套接字）运行在 服务器专用的TCP端口监听接收来自客户端的请求。当远程主机上的客 户Socket试图与指定端口建立连接时，服务器被激活，根据具体情况来 确定重用旧线程或生成一个新线程来响应客户端的请求直到该客户退 出。服务器的主线程仍然处于监听状态，等待新客户请求。二、HTTP服务器模型（一）、超文本传输协议 （HTTP, Hypertext Transfer Protocol） 是Web浏览器与Web服务器之间通信的标准协议，是个相当详细的协议。 位于TCP/IP协议的应用层，具有简单、通

5、用、无状态、灵活、无连接 及面向对象等特点是互联网中最核心的协议之一。HTTP是RPC式的协议。RPC就是远程调用（Remote Procedure Cal），是请求远程机服务和 处理机制。RPC和编程语言中的过程调用相似，基于 C/S和B/S模型， 它建立在请求/响应（Request/Response的基础上，服务端和客户端可 能位于不同的独立系统上，客户端通过 TCP SOKET向服务器端口（默 认为80）发送包含请求方法、URL （是对统一资源定位符（Uniform Resource Locato）用来标识In ternet上资源的位置。URL类是不能再小 的最小类，它扩展Java.la

6、ng.Objec。）和协议版本信息，请求建立Socket 4连接，客户的请求通过Socket被服务器接收，服务器对客户的请求信息 参数进行分析处理，响应一个状态行，对客户的请求服务做出回应，把 相应的资源文档以流形式通过 Socket传给客户浏览器，整个过程见（图 二）所示：5JAVA的网络通信机制支持URL的类支持SOCKET的类图二Socket连接（二）、Java API中网络类包简介：Java API中按类的形式提供了三种不同层次的网络技术机制,用URL （统一资源定位符）访问网络资源的类,利用Socket套接字）通讯 的类以及DataGran（数据报）类。前两种类方法更能体现Java作

7、为网络语 言的特点，支持URL类实际上也是依赖于下层支持 Socket类方法来实 现的。相对来讲，URL是对WEB勺高层联接。Socket是一种底层的连接， 客户机和服务器通过写入到 Socket的字节流进行通信。Java系统的网络 通信机制如图二所示，本文主要讨论基于Socket类的通信机制。In ternet图三JAVA系统的网络通信机制图四 应用程序和 TCP/IP核心协议关6协议组TCP/IP的组合,TCP/IP技术的核心部分是传输层（TCP和 UDP协议）,网络层（IP）协议和物理层（面向各种物理硬件技术）,能实现 这三层协议的内核可称之为TCP/IP网络操作系统.TCP/IP协议技

8、术中的 中下层协议向外提供的只是原始的编程界面 ，而不是直接的用户服务， 用户服务要靠核外的应用程序实现应用程序和TCP/IP核心协议关系如 图四所示（三）、HTTP客户机与服务器之间的交互涉及下列步骤：1、HTTP服务器听取请求：HTTP服务器打开听取端口，通常是端口 80,这是在 一个线程中进行的，然后线程阻止，等待入站的HTTP请求。2、HTTP客户机构造HTTFURLHTTP客户机需要建立与 HTTP!艮务器的初始连接。 为此要使用 URL通常情况下是以http:/www.any_ 的形式。 这里HTTP客户机指定HTTP!艮务器上的缺省资源，通常是页面index.htm 或defau

9、lt.htm 。缺省Web页面通常是站点的主页。有时候URL会更加 复杂。3、HTTP客户机建立连接：HTTP客户机建立发送套接，连接 Web 服务器。发送套接让客户机向服务器提交 HTTP请求。4、HTTP服务器接 受连接：HTTP服务器生成接受套接，从 HTTP客户机接受请求。通常， 接受套接在另一线程中运行，提高 Web服务器的性能。5、HTTP客户机 构造一个HTTP请求，发送到HTTP!艮务器：建立与HTTP服务器的连接 之后，客户机构造HTTP请求并通过套接将其传递到 HTTP月艮务器。6、 HTTP服务器处理请求：HTTP服务器继续听取接受套接中的入站请求。 得到请求时，服务器分

10、析入站请求，并采取请求要求的操作。7、HTTP服务器将HTTPU向应发送给HTTP客户机：HTTP月艮务器构造HTTPU向应， 有六个部分（1）、HTTP版本；（2）、HTTP状态码；（3）、HTTP状态描 述（可选）；（4）、响应头字段（可选）；（5）、响应体（可选）；（6）、内 7容长度（可选）。服务器通过与HTTP客户机的连接返回响应。8、HTTP 客户机处理响应：HTTP客户机收到服务器的响应时，客户机分析响应， 然后处理响应。9、关闭套接连接：HTTP客户机或服务器关闭连接。（四）、一次 HHTP 操作称为一次事务（Transaction ）。HTTP定义的事务处理由以下四步组成：1

11、、客户与Web服务器建立连接，打开一个称为 socket（套接 字）的虚拟文件，此文件的建立标志着连接成功。2、 客户通过socket向Web服务器提交请求。一般为GET或POST命令。3、通过HTTP协议传送给Web服务器。接纳则进行事务处理，处理结果传回客户端。4 、客户和服务器断开连接。HTTP采用TCP连接，该连接仅在此事务中保持，浏览器和服务器 都不会记忆上次的连接状态。HTTP之所以采取这种无状态机制，完全 是为了提高服务器的工作效率。在 WEB中点击一个超链接时，浏览器 有可能从当前站点转到另一个站点。因此，当文档传输完毕时，服务器 都假定用户要退出对文本服务器上的文档的浏览连接

12、，因而断开连接。 如果继续浏览，就再次建立连接。如果用户确实要退出时，服务器就不 需要执行任何操作，因为连接已经断开了。（五）、HTTP消息包括HTTP请求信息和HTTP响应消息两种，一个 HTTP请求格式如下图五所示：MehodURLVersio n请求头Header field n ameValue头信息8Header field n ameValueEn tity Body图五 HTTP请求信息格式HTTP响应信息格式如图六所示：VersionStatus codeVersion回应状态消息Header field n ameValue头信息Header field n ameValue

13、En tity Body图六 HTTP 响应信息格式三、HTTP服务器的兼容性（一） 、 HTTP1.1的兼容性：要实现一个实用高效的 HTTP1.1 和 CGI 兼容 HTTP 服务器， HTTP1.1 主要通过引入持久连接和更好的缓存验证命令而提高性能，而 且把 HTTP 响应代码增加一倍多。能够向上兼容 HTTP/1.0，HTTP 消息 包括请求消息和响应信息两种。（二） 、 HTTP1.0 的兼容性：HTTP1.0 兼容服务器总是要响应请求的 HTTP 版本，可能是HTTP0.9或HTTP1.0。HTTPResquest要检查请求中是否存在版本号。 如 果不存在，则假设为HTTP0.9

14、。这个版本不用头。其中在HTTP1.0版本 里请求头的method可能为GET、POST或HEAD，而在HTTP1.1版本 中增加了 PUT 和 DELETE 两种请求。 URL 统一资源定位器标明了目的 位置。（三） 、 与旧版本 HTTP 的兼容性：9HTTP1.0规范强制要求与HTTP.09的向下兼容性。我们要保证HTTP 服务器具有下列功能：1、识别HTTP0.9与HTTP1.0请求的请求行格式。2、了解HTTP0.9与HTTP1.0格式的任何有效请求。3、响应与客户机使用的相同协议版本消息。四、Java实现多线程HTTP服务器设计（一）、 Java 语言网络编程在 java 的客户/

15、服务器应用中， 客户与服务器之间的通讯一般 是采用基于 TCP/IP 的 Socket 机制来实现的。当通信数据到达的是目的主机网络层， IP 地址连同端口号一起， 提供了对两台机器之间 唯一的无二义性的连接的标识，这个连接叫套接字（Socket ）。一对套接字为一标识了每个端口连接： （1）发送方套接字 =源 IP 地址 +源端口号；（2）接收方套接字 =目的 IP 地址 +目的端口号。Socket 类实现基于连接客户插口。我们可以利用 Java API 中 的 J 包中的插口类提供的套接字功能进行网络编程。Socket 类（套接字类） 提供的重要函数有 getInetAddress（ ）,

16、 getPort（ ）, getInputStream（ ）, 和 close（ ） 。分别产生用于 获得信宿机的地址、信宿机端口号、获得输入流、获得输出流、关 闭套接字。ServerSocket 类 （ 服 务 器 套 接 字 类 ） 的 重 要 函 数 有 ： getInetAddress（ ）, getLocalPort（ ）, accept（ ） 和 close（ ） ， 分别用于获得信宿机的 Internet 地址、本地端口、监听和关闭套 接字。ServerSocket类实现了 TCP月服务器插口。它提供两种构造函 数指定服务器插口所用的端口， 以便监听到连接请求。 利用 Accep

17、t（ ） 方法引发服务器插口监听并等待，一旦连接就返回一个实例。10自定义类包括（ 1）HttpServer 类（服务器类），（ 2） ReThead （线程重用类）,（3） HttpProcess （一个接口类）。此外还包括各 个类的请求处理类3个：HttpFile （静态文件处理）,HttpCGI （CGI 处理） ,HttpException （出错处理） ；以及数据流处理 2 个： HttpInputstream （数据输入流）和 HttpOutputstream （数据输出 流）。11生成请求的对象HTTPFileObjectHTTPProcessObject图七重要类的交互(二)、

18、服务器总体设计1、 总体设计的关键点根据HTTP工作原理，在这个设计中抓住了几个关键点：(1)持续 12监听。根据TCP/IP，作为服务器端进行监听。在这个设计中，采用了一 个永真的循环，等待客户的连接请求。( 2)可以同时接受多个用户的连接请求。每个用户拥有自己独立的线程。(3)实现了线程的重用性。线程重用服务可以自动收集可重用的线程，以免过的的创建与销毁线程增 加系统的负担，提高了系统的效率。2、模块设计把 Http 服务器分成两个组成模块： 客户请求处理模块和响应生成发 送模块，其中客户请求处理模块负责接收客户的连接，分析请求中的各 个协议参数，此外还负责调用响应生成发送模块。而响应生成

19、发送模块 的任务就是根据对客户请求的分析的结果查找资源，生成响应和发送响 应。(1)、客户请求处理模块的任务就是负责监听系统的端口， 以获取 客户机到达本机的连接。当获得一个连接请求时，就把这一连接所建立 的套接字连接交给一个负责客户请求处理程序 Client 类处理这一 个客户的请求，之后程序继续监听等待下一个客户的连接。在一个 Client 对象建立之后，它就把其在初始化时获得的一个 Socket 对象的 输入流重定向给一个 Request 对象，使其能通过 Request 类提供的接口 方法获取这一用户请求的相关参数，如URL的组成请求方法，所指文件以及协议版本等数据。然后把这一个 Re

20、quest 对象连同 Socket 对象的 输出流传递给一个 ResourceHandler 类的 实例， 由这一个 ResourceHandler 对象完成生产发送对用户请求的响应。主要由三个部 分组成：守护程序：一个 HttpServer类的实例对象；客户处理程序：一个Client用户类，由HttpServer对象负责建立其实例和执行其 运行线程；请求分析程序：一个Request用户类，由Client对象初始化其对象实例，用于分析客户请求中的协议参数（如下图八）。其中，1-调用；2-Socket 对象；3-Socket 对象；4-Socket 对象13输入流；5-Request对象；6-S

21、ocket对象的输入流和 Request对象。Request对象是指经分析的客户请求。图八请求处理模块（2）、响应生成发送模块实现的功能就是从客户请求程序中接受一 个Request对象和一个标识一个用户连接的客户Socket对象的输入流（HttpInputStream ）对象。通过 Request对象中获得客户请求的协议参数，查找客户请求指定的资源，根据查找的结果，生成相应的响应， 并把生成的响应写入到指定的 HttpI nputStream 对象中，其操作结果就 是把响应送往客户。包含了以下对象：ResourceHandler对象（响应产生发送处理）、SCManager（响应的状态码管理）对

22、象、StatusCode对象（状态码管理）、MimeType对象（媒体类型描述处理），通过相互调用协 调，共同完成模块的功能（如图六）。其中：1 Socket对象的输入流 和Request对象；2文件名；3文件描述；4状态码；5状态码相关描述；6文件名；7媒体类型描述143、HTTP月艮务器各类之间关系在Http服务器的设计中，Httpserver是主类，提供了程序的入口， 打开ServerSocket类，并且接受客户端的连接。对于每个连接将创建 一个新的Httpserver对象去处理客户端的请求，并且启动一个新的线 程去执行该处理。Httplnputstream 类对于请求信息进行分析。 H

23、ttpProcessor类则提供了真正处理的接口，它分别被HttpFile 类，HttpCGI类，HttpException 类来实现。最后将响应信息由 HttpOutputStream类格式化输出到客户端。HTTP）艮务器类图设计如（图 十）所示：15图十HTTP服务器类图(三)、服务器详细设计分析1、 线程重用在这个设计中用 Rethread类来划分线程，这个类用一个矢量(Vector)来存储线程。这样避免了旧线程的销毁，并且当客户端有请求过来时，避免了新线程的创建，提高了服务器的响应效率。2、 各类和接口的主要功能(1)、HTTPServerHTTPServer.java中定义了一个变量

24、类resources,保存这个类的所 有场景特定消息。把这个变量定义为静态的，因为他在静态main() 方法中使用。(2)、HTTPRequestHTTPReque类处理HTTP请求。对于每个接受的连接，HTTPServer run()方法构造一个HTTPRequest对象并传入从accept()调用取得16的套接参数，作为服务器与浏览器进行通信的端点。构造HTTPRequest对象之后，run()方法调用start(),使请求在并发运 行的线程中处理。这样 HTTPServer类的run()方法可以立即继续， 等待新的入站连接。(2)、HTTP In PutStream对于每个请求信息，用

25、HTTP In PutStream类来进行分析处理，包括 解释请求和读取所有请求报头。 把这个类中请求进行分解为方法、 请求路径、查询字符串以及协议版本， 并且读取所有随后的请求报 头。(3)、HTTPOutPutStream经过处理后的响应信息经过 HTTPOutPutStream类进行格式化输入 到客户端，这个类为写 HTTP响应提供了支持，在这个类中添加了 形成和发送HTTP响应报头的支持，包括状态行和随后的报头。(4)、HTTPProcessorHTTPProcessor接口提供了真正处理的方法，HTTPFile类，HTTPCGI 类， HTTPException 类分别实现了该接口。

26、根据 HTTPInPutStream 类的分析来确定所有请求的信息该有哪个类来处理。 (HTTPFile 类、HTTPCG类或 HTTPException 类)(5)、HTTPFile该类实现了 HTTPProcessor接口，用于处理静态文件资源的get和 head 请求。(6)、HTTPCGI该类实现了 HTTPProcessor接口，用于处理CGI程序。(7)、HTTPException该类是IOException的子类，它用于把HTTP错误返回到客户机。 17它实现HTTPProcessor接口，因此当在响应客户机请求而被抛出时， 他能够发送一个适当的HTTP错误信息到客户机。(四)、

27、Java多线程机制的应用多线程( Multi-Thread )是 Java 的一个重要特性，指的是通 过系统的调度使几个具有不同功能的程序流即线程同时并行的运 行。Java 从语言一级提供对线程的支持， 可由语言和运行系统联合 提供对共享数据段的管理功能和同步机制，这样就使多线程并行程 序设计相对比较容易。在 Java 中 ， 当 我 们 创 建 一 个 新 线 程 时 ， 先 通 过 对 Java.lang.Thread 类的 继承来派生一个子类 class MyApplication extends Thread 然后，通过run()方法实现线程的行为。 class MyApplicati

28、on extends Thread public void run( ) 最后，由子类生成一个对象，并且进行启动操作，这样就得到一个处于可运行状态的线程。生成对象是完成线程的创 建，启动则是对已经创建的线程进行操作。My Application ex=new My Application( );Thread th=new Thread(ex);Th.start( );这个服务器端程序以最简单的方式运用Socket对服务器和客户机进行操作。服务器的全部工作就是等候建立一个连接，然后用那 个连接产生的 Socket创建一个InputStream以及一个Outputstream。 在 这 之后 ，

29、它 从 InputStream 读入 的所 有 东西 都会 反馈给 Outputstream,直到接收到行中止(END)为止，最后关闭连接。public class myServer / 这个是服务器端程序/ 设定服务程序端口号 ,大于 1024 public static final int PORT = 188080;public static void main(String args)throws IOExceptionServerSocket s = new ServerSocket(PORT);System.out.println(Started:+s);trySocket soc

30、ket = s.accept();trySystem.out.println ( 连接被接受 +socket);BufferedReader in =NewBufferedReader(newInputStreamReader(socket.getInputStream();PrintWriter out =new PrintWriter(new BufferedWriter(newOutputStreamWriter(socket.getOutputStream(),true);while(true)String str = in.readLine(); if(str.endsWith(EN

31、D) break; System.out.println(Echoing: +str); out.println(str);catch(Exception e) System.out.println(e.toString();fin allySystem.out.pri ntln (clos ing .); socket.close();19 fin allys.close(); 图十一多线程服务端实例F面是该服务器设计的部分代码:* get Conn ect Info*/public String getC onnectln fo()Stri ngszClie ntHostName=this

32、.m_sClie nt .getI netAddress().getHostName ();String szClie ntAddress=this.m_sClie nt .getI netAddress().getHostAddress();int ClientPort=this.m_sClient .getPort ();String szRet=;szRet=Accepted connection from +szClientHostName+(+szClientAddress+) +on port +ClientPort+.;20return szRet;HTTPRequest(Soc

33、ket client)throws IOException this.m_sClient =client;this.m_In =new HttpInputStream(this.m_sClient.getInputStream();this.getRequest (); public String getLog()StringBuffer szRet=new StringBuffer() ;szRet.append (Received the following request:+n);Enumeration enum=m_vLines.elements ();String szstr1=;

34、while(enum.hasMoreElements() szstr1=(String)enum.nextElement(); szRet.append (szstr1+n);return szstr1.toString();boolean isGetRequest() if(this.m_vLines .size ()0)String firstline=(String)this.m_vLines.elementAt (0);if(firstline.length ()0) if(firstline.substring(0,3).equalsIgnoreCase(GET)return tru

35、e; return false;21* only use to recognize methed get*/class HttpInputStream extends FilterInputStream HttpInputStream(InputStream in)super(in);public void addLine(String line) m_vLines .addElement(line);public String readLine() throws IOException StringBuffer result=new StringBuffer (); boolean finished=false;boolean isenter=falsePublic static void main (String args) throws IOException ServerSocket server = new ServerSocket (8080);/* 创建一个监听 8080 端口的服务器套接字 */While(time)Socket client = server.accept ( );/* 等待一个连接，如果该连接未被创建，本方法阻塞当前线程。 返回值是一个 Socket 对象，服务器程序利用这个对象与连接的客 22户通信。 */H