實戰WEB 伺服器（JAVA編寫WEB伺服器）
一、超文字傳輸協議
1.1 HTTP請求
1.2 HTTP應答
二、Socket類
三、ServerSocket類
四、Web伺服器例項
4.1 HttpServer類
4.2 Request類
4.3 Response類
五、編譯和執行
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正文：
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Web伺服器與客戶端的通訊使用HTTP協議（超文字傳輸協議），所以也叫做HTTP伺服器。用Java構造Web伺服器主要用二個類，java.net.Socket和java.net.ServerSocket，來實現HTTP通訊。因此，本文首先要討論的是HTTP協議和這兩個類，在此基礎上實現一個簡單但完整的Web伺服器。
一、超文字傳輸協議
Web伺服器和瀏覽器通過HTTP協議在Internet上傳送和接收訊息。HTTP協議是一種請求-應答式的協議——客戶端傳送一個請求，伺服器返回該請求的應答。HTTP協議使用可靠的TCP連線，預設埠是80。HTTP的第一個版本是HTTP/0.9，後來發展到了HTTP/1.0，現在最新的版本是HTTP/1.1。HTTP/1.1由 RFC 2616 定義（pdf格式）。
本文只簡要介紹HTTP 1.1的相關知識，但應該足以讓你理解Web伺服器和瀏覽器傳送的訊息。如果你要了解更多的細節，請參考RFC 2616。
在HTTP中，客戶端/伺服器之間的會話總是由客戶端通過建立連線和傳送HTTP請求的方式初始化，伺服器不會主動聯絡客戶端或要求與客戶端建立連線。瀏覽器和伺服器都可以隨時中斷連線，例如，在瀏覽網頁時你可以隨時點選“停止”按鈕中斷當前的檔案下載過程，關閉與Web伺服器的HTTP連線。
1.1 HTTP請求
HTTP請求由三個部分構成，分別是：方法-URI-協議/版本，請求頭，請求正文。下面是一個HTTP請求的例子：
GET /servlet/default.jsp HTTP/1.1 Accept: text/plain; text/html Accept-Language: en-gb Connection: Keep-Alive Host: localhost Referer: http://localhost/ch8/SendDetails.htm User-Agent: Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 4.01; Windows 98) Content-Length: 33 Content-Type: application/x-www-form-urlencoded Accept-Encoding: gzip, deflate userName=JavaJava&userID=javaID |
請求的第一行是“方法-URI-協議/版本”，其中GET就是請求方法，/servlet/default.jsp表示URI，HTTP/1.1是協議和協議的版本。根據HTTP標準，HTTP請求可以使用多種請求方法。例如，HTTP 1.1支援七種請求方法：GET，POST，HEAD，OPTIONS，PUT，DELETE，和TRACE。在Internet應用中，最常用的請求方法是GET和POST。
URI完整地指定了要訪問的網路資源，通常認為它相對於伺服器的根目錄而言，因此總是以“/”開頭。URL實際上是URI 一種型別。最後，協議版本聲明瞭通訊過程中使用的HTTP協議的版本。
請求頭包含許多有關客戶端環境和請求正文的有用資訊。例如，請求頭可以宣告瀏覽器所用的語言，請求正文的長度，等等，它們之間用一個回車換行符號（CRLF）分隔。
請求頭和請求正文之間是一個空行（只有CRLF符號的行），這個行非常重要，它表示請求頭已經結束，接下來的是請求的正文。一些介紹Internet程式設計的書籍把這個CRLF視為HTTP請求的第四個組成部分。
在前面的HTTP請求中，請求的正文只有一行內容。當然，在實際應用中，HTTP請求正文可以包含更多的內容。
1.2 HTTP應答
和HTTP請求相似，HTTP應答也由三個部分構成，分別是：協議-狀態程式碼-描述，應答頭，應答正文。下面是一個HTTP應答的例子：
HTTP/1.1 200 OK Server: Microsoft-IIS/4.0 Date: Mon, 3 Jan 1998 13:13:33 GMT Content-Type: text/html Last-Modified: Mon, 11 Jan 1998 13:23:42 GMT Content-Length: 112 <html> <head> <title>HTTP應答示例</title></head><body> Hello HTTP! </body> </html> |
HTTP應答的第一行類似於HTTP請求的第一行，它表示通訊所用的協議是HTTP 1.1，伺服器已經成功地處理了客戶端發出的請求（200表示成功），一切順利。
應答頭也和請求頭一樣包含許多有用的資訊，例如伺服器型別、日期時間、內容型別和長度等。應答的正文就是伺服器返回的HTML頁面。應答頭和正文之間也用CRLF分隔。
二、Socket類
Socket代表著網路連線的一個端點，應用程式通過該端點向網路傳送或從網路讀取資料。位於兩臺不同機器上的應用軟體通過網路連線傳送和接收位元組流，從而實現通訊。要把訊息傳送給另一個應用，首先要知道對方的IP地址以及其通訊端點的埠號。在Java中，通訊端點由java.net.Socket類表示。
Socket類有許多建構函式，其中一個建構函式的引數是主機名稱和埠號：
public Socket(String host, int port) |
host是遠端機器的名字或IP地址，port是遠端應用的埠號。例如，如果要連線到yahoo.com的80埠，我們可以用“new Socket("yahoo.com", 80);”語句構造一個Socket。
成功建立了Socket類的例項之後，我們就可以用它來發送和接收位元組流形式的資料。要傳送位元組流，首先要呼叫Socket類的getOutputStream方法獲得一個java.io.OutputStream物件；為了向遠端應用傳送文字資料，我們經常要從返回的OutputStream物件構造一個java.io.PrintWriter物件。要從連線的另一端接收位元組流，首先要呼叫Socket類的getInputStream方法獲得一個java.io.InputStream物件。
例如，下面的程式碼片斷建立一個與本地HTTP伺服器（127.0.0.1代表本地主機的IP地址）通訊的Socket，傳送一個HTTP請求，準備接收伺服器的應答。它建立了一個StringBuffer物件來儲存應答，然後把應答輸出到控制檯。
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", "8080");
OutputStream os = socket.getOutputStream();
boolean autoflush = true;
PrintWriter out = new PrintWriter( socket.getOutputStream(), autoflush );
BufferedReader in = new BufferedReader(
new InputStreamReader( socket.getInputStream() ));
// 向Web伺服器傳送一個HTTP請求
out.println("GET /index.jsp HTTP/1.1");
out.println("Host: localhost:8080");
out.println("Connection: Close");
out.println();
// 讀取伺服器的應答
boolean loop = true;
StringBuffer sb = new StringBuffer(8096);
while (loop) {
if ( in.ready() ) {
int i=0;
while (i!=-1) {
i = in.read();
sb.append((char) i);
}
loop = false;
}
Thread.currentThread().sleep(50);
}
// 把應答顯示到控制檯
System.out.println(sb.toString());
socket.close();
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注意，為了保證Web伺服器能夠返回正確的應答，客戶端傳送的HTTP請求應該遵從雙方約定的HTTP協議版本。
三、ServerSocket類
Socket類代表的是“客戶”通訊端點，它是一個連線遠端伺服器應用時臨時建立的端點。對於伺服器應用，例如HTTP伺服器或FTP伺服器，我們需要另一種端點，因為我們不知道客戶端應用什麼時候會試圖連線伺服器，伺服器必須一直處於等待連線的狀態。
因此，對於伺服器端的通訊端點，我們要使用java.net.ServerSocker類。ServerSocket等待來自客戶端的連線請求；一旦接收到請求，ServerSocket建立一個Socket例項來處理與該客戶端的通訊。
ServerSocket提供了四個建構函式。建立ServerSocket的例項時，我們必須指定監聽客戶端訊息的IP地址（稱為“繫結地址”，Binding Address）和埠。通常情況下，這個IP地址總是127.0.0.1，也就是說伺服器端點將在本地機器上監聽。伺服器端點的另一個重要屬性是它的backlog值，這是儲存客戶端連線請求的最大佇列長度，一旦超越這個長度，伺服器端點開始拒絕客戶端的連線請求。
下面是ServerSocket類建構函式的其中一種形式：
public ServerSocket(int port, int backLog, InetAddress bindingAddress); |
這個建構函式要求繫結地址必須是一個java.net.InetAddress的例項。要構造一個InetAddress物件，一種簡單的辦法是呼叫它的靜態getByName方法，傳入一個表示主機名稱/地址的String。例如，下面的程式碼構造了一個在本地機器的8080埠監聽的ServerSocket，它的backlog值是1：
new ServerSocket(8080, 1, InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
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建立好ServerSocket例項之後，呼叫它的accept方法，要求它等待傳入的連線請求。只有出現了連線請求時，accept方法才會返回，它的返回值是一個Socket類的例項。隨後，這個Socket物件就可以用來與客戶端應用通訊。
四、Web伺服器例項
本文的Web伺服器由三個類構成，分別是：HttpServer，Request ，Response。
應用的入口點（static main方法）在HttpServer類。main方法建立一個HttpServer例項，然後呼叫await方法。從await方法的名字也可以看出，它的功能是在指定的埠上等待HTTP請求，然後處理請求，把處理的結果返回給客戶端。除非收到了關閉伺服器的命令，否則await將一直保持等待客戶端請求的狀態。（之所以用await而不是wait作為方法名，是因為wait是System.Object類中一個用來操作執行緒的重要方法）。
本文的Web伺服器只能傳送指定目錄下的靜態資源，例如HTML和圖形檔案。它不支援頭資訊（例如日期時間、Cookie等）。
4.1 HttpServer類
HttpServer類代表一個Web伺服器，提供由WEB_ROOT變數指定的目錄及其子目錄下的靜態資源。WEB_ROOT用下面的語句初始化：
public static final String WEB_ROOT =
System.getProperty("user.dir") + File.separator + "webroot";
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本文最後的下載程式碼包中有一個webroot目錄，它裡面有一些靜態Web頁面，可用來測試本文的伺服器。要開啟webroot目錄下的靜態頁面，在瀏覽器的位址列輸入URL：http://machineName:port/staticResource。
如果執行Web伺服器的機器和瀏覽器所在的機器不同，machineName必須是Web伺服器所在機器的IP地址或名稱；如果瀏覽器和Web伺服器在同一臺機器上執行，machineName也可以是localhost。port是8080，staticResource是要請求的資源（頁面）檔名稱。
例如，假設我們在同一臺機器上執行Web伺服器和瀏覽器，如果要求HttpServer返回index.html檔案，則URL是：
http://localhost:8080/index.html |
要關閉Web伺服器，在瀏覽器的位址列輸入一個預定義的關閉命令，即在URL的“主機名稱:埠”之後，加上SHUTDOWN_COMMAND變數定義的字元。假設SHUTDOWN_COMMAND變數的值是“/SHUTDOWN”，我們可以在瀏覽器位址列輸入“http://localhost:8080/SHUTDOWN”關閉Web伺服器。
下面我們來看看await方法的程式碼，程式碼的說明隨後給出。
【HttpServer類的await方法】
public void await() {
ServerSocket serverSocket = null;
int port = 8080;
try {
serverSocket = new ServerSocket(port, 1,
InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
}
catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
// 迴圈，等待客戶端發來的請求
while (!shutdown) {
Socket socket = null;
InputStream input = null;
OutputStream output = null;
try {
socket = serverSocket.accept();
input = socket.getInputStream();
output = socket.getOutputStream();
// 建立Request物件並予以解析
Request request = new Request(input);
request.parse();
// 建立Response物件
Response response = new Response(output);
response.setRequest(request);
response.sendStaticResource();
// 關閉Socket
socket.close();
// 檢查該URI是否為關閉伺服器的命令
shutdown = request.getUri().equals(SHUTDOWN_COMMAND);
}
catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
continue;
}
}
}
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await方法首先建立一個ServerSocket例項，然後進入while迴圈等待來自客戶端的請求。while迴圈裡面的程式碼會在執行ServerSocket的accept方法時等待，直到8080埠收到一個HTTP請求。然後，從accept返回的Socket獲得一個java.io.InputStream和一個java.io.OutputStream。接下來，await方法建立一個Request物件，呼叫parse方法解析原始的HTTP請求。接著，await方法又建立一個Response物件，把前面建立的Request物件傳遞給它，呼叫它的sendStaticRessource方法。
最後，await方法關閉Socket，呼叫Request方法的getUri方法，查檢該HTTP請求的URI是否為一個關閉伺服器的命令。如果是，把shutdown變數的值設定為true，while迴圈結束。
4.2 Request類
Request類代表一個HTTP請求。建立Request類的例項時要傳入一個從負責與客戶端通訊的Socket獲得的InputStream物件。呼叫InputStream物件的其中一個read方法可獲得HTTP請求的原始資料。
Request類有兩個公用方法parse和getUri。parse方法解析HTTP請求中的原始資料，其實它的功能並不多——它唯一提取的資訊是HTTP請求的URI，通過呼叫私有的parseUri方法獲得。parseUri把Uri儲存在uri變數中。呼叫公用的getUri方法可返回HTTP請求的URI。
要理解parse和parseUri的工作原理，首先要理解HTTP請求的結構，參見本文前面內容以及RFC 2616。如前所述，HTTP請求包含三個部分，現在我們感興趣的是第一部分，即所謂的“請求行”，包括請求方法、URI和協議版本，最後是一個CRLF字元。請求行裡面的各個部分由空格分隔，例如，用GET方法請求index.html檔案的請求行是：
GET /index.html HTTP/1.1 |
parse方法讀取傳遞給Request物件的InputStream的整個位元組流，把位元組資料儲存到緩衝區，然後利用buffer位元組陣列中的內容填寫一個稱為request的StringBuffer物件，把該StringBuffer的String描述傳遞給parseUri方法。parse方法的程式碼如下所示：
【Request類的parse方法】
public void parse() {
// 從Socket讀取一組資料
StringBuffer request = new StringBuffer(2048);
int i;
byte[] buffer = new byte[2048];
try {
i = input.read(buffer);
}
catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
i = -1;
}
for (int j=0; j<i; j++) {
request.append((char) buffer[j]);
}
System.out.print(request.toString());
uri = parseUri(request.toString());
}
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parseUri從請求行獲得URI，下面給出了parseUri方法的程式碼。parseUri方法搜尋請求中的第一、二兩個空格字元，提取出URI。
【Request類的parseUri方法】
private String parseUri(String requestString) {
int index1, index2;
index1 = requestString.indexOf(' ');
if (index1 != -1) {
index2 = requestString.indexOf(' ', index1 + 1);
if (index2 > index1)
return requestString.substring(index1 + 1, index2);
}
return null;
}
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4.3 Response類
Response類代表一個HTTP應答。它的建構函式要求指定一個OutputStream物件，例如：
public Response(OutputStream output) {
this.output = output;
}
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Response類有兩個公用方法：setRequest和sendStaticResource。setRequest方法用來把Request物件傳遞給Response物件，很簡單，如下所示：
【Response類的setRequest方法】
public void setRequest(Request request) {
this.request = request;
}
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sendStaticResource方法用來發送靜態資源，如HTML檔案等。它的實現如下所示：
【Response類的sendStaticResource方法】
public void sendStaticResource() throws IOException {
byte[] bytes = new byte[BUFFER_SIZE];
FileInputStream fis = null;
try {
File file = new File(HttpServer.WEB_ROOT, request.getUri());
if (file.exists()) {
fis = new FileInputStream(file);
int ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
while (ch != -1) {
output.write(bytes, 0, ch);
ch = fis.read(bytes, 0, BUFFER_SIZE);
}
}
else {
// 找不到檔案
String errorMessage = "HTTP/1.1 404 File Not Found/r/n" +
"Content-Type: text/html/r/n" +
"Content-Length: 23/r/n" +
"/r/n" +
"<h1>File Not Found</h1>";
output.write(errorMessage.getBytes());
}
}
catch (Exception e) {
// 如不能例項化File物件，丟擲異常。
System.out.println(e.toString() );
}
finally {
if (fis != null)
fis.close();
}
}
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sendStaticResource方法首先建立一個java.io.File類的例項，在呼叫File類建構函式時指定了Web伺服器的根目錄和請求的目標URI。然後，sendStaticResource 檢查使用者請求的檔案是否存在，如存在，它在該File物件的基礎上建立一個java.io.FileInputStream物件，然後呼叫FileInputStream的read方法，把讀取的位元組陣列寫入到OutputStream輸出。如果使用者請求的檔案不存在，sendStaticResource方法向瀏覽器傳送一個錯誤資訊。
五、編譯和執行
下載本文後面提供的zip檔案，解開壓縮。解開壓縮時你指定的目標目錄稱為“工作目錄”。工作目錄下有二個子目錄：src，webroot。webroot目錄下包含一些示例頁面。在工作目錄下執行下面的命令編譯Web伺服器：
javac -d . src/*.java |
“-d .”選項表示把編譯結果儲存到當前目錄（即工作目錄），而不是儲存到src目錄。執行java HttpServer就可以啟動Web伺服器。
假設瀏覽器和Web伺服器執行在同一臺機器上，開啟瀏覽器，輸入URL：http://localhost:8080/index.html。瀏覽器顯示出圖一所示的頁面。
結束語：本文通過開發一個簡單的JavaWeb伺服器，介紹了Web伺服器的基本工作原理。雖然本文開發的Web伺服器不具備複雜的功能，但它足以作為一個不錯的學習工具。
完整程式碼如下：