本篇文章来分析一下 Go 语言 HTTP 标准库是如何实现的。

转载请声明出处哦~,本篇文章发布于luozhiyun的博客:https://www.luozhiyun.com/archives/561

本文使用的go的源码1.15.7

基于HTTP构建的服务标准模型包括两个端,客户端(Client)和服务端(Server)。HTTP 请求从客户端发出,服务端接受到请求后进行处理然后将响应返回给客户端。所以http服务器的工作就在于如何接受来自客户端的请求,并向客户端返回响应。

一个典型的 HTTP 服务应该如图所示:

HTTP client

在 Go 中可以直接通过 HTTP 包的 Get 方法来发起相关请求数据,一个简单例子:

func main() {
resp, err := http.Get("http://httpbin.org/get?name=luozhiyun&age=27")
if err != nil {
fmt.Println(err)
return
}
defer resp.Body.Close()
body, _ := ioutil.ReadAll(resp.Body)
fmt.Println(string(body))
}

我们下面通过这个例子来进行分析。

HTTP 的 Get 方法会调用到 DefaultClient 的 Get 方法,DefaultClient 是 Client 的一个空实例,所以最后会调用到 Client 的 Get 方法:

Client 结构体

type Client struct {
Transport RoundTripper
CheckRedirect func(req *Request, via []*Request) error
Jar CookieJar
Timeout time.Duration
}

Client 结构体总共由四个字段组成:

Transport:表示 HTTP 事务,用于处理客户端的请求连接并等待服务端的响应;

CheckRedirect:用于指定处理重定向的策略;

Jar:用于管理和存储请求中的 cookie;

Timeout:指定客户端请求的最大超时时间,该超时时间包括连接、任何的重定向以及读取相应的时间;

初始化请求

func (c *Client) Get(url string) (resp *Response, err error) {
// 根据方法名、URL 和请求体构建请求
req, err := NewRequest("GET", url, nil)
if err != nil {
return nil, err
}
// 执行请求
return c.Do(req)
}

我们要发起一个请求首先需要根据请求类型构建一个完整的请求头、请求体、请求参数。然后才是根据请求的完整结构来执行请求。

NewRequest 初始化请求

NewRequest 会调用到 NewRequestWithContext 函数上。这个函数会根据请求返回一个 Request 结构体,它里面包含了一个 HTTP 请求所有信息。

Request

Request 结构体有很多字段,我这里列举几个大家比较熟悉的字段:

NewRequestWithContext

func NewRequestWithContext(ctx context.Context, method, url string, body io.Reader) (*Request, error) {
...
// parse url
u, err := urlpkg.Parse(url)
if err != nil {
return nil, err
}
rc, ok := body.(io.ReadCloser)
if !ok && body != nil {
rc = ioutil.NopCloser(body)
}
u.Host = removeEmptyPort(u.Host)
req := &Request{
ctx: ctx,
Method: method,
URL: u,
Proto: "HTTP/1.1",
ProtoMajor: 1,
ProtoMinor: 1,
Header: make(Header),
Body: rc,
Host: u.Host,
}
...
return req, nil
}

NewRequestWithContext 函数会将请求封装成一个 Request 结构体并返回。

准备 http 发送请求

如上图所示,Client 调用 Do 方法处理发送请求最后会调用到 send 函数中。

func (c *Client) send(req *Request, deadline time.Time) (resp *Response, didTimeout func() bool, err error) {
resp, didTimeout, err = send(req, c.transport(), deadline)
if err != nil {
return nil, didTimeout, err
}
...
return resp, nil, nil
}

Transport

Client 的 send 方法在调用 send 函数进行下一步的处理前会先调用 transport 方法获取 DefaultTransport 实例,该实例如下:

var DefaultTransport RoundTripper = &Transport{
// 定义 HTTP 代理策略
Proxy: ProxyFromEnvironment,
DialContext: (&net.Dialer{
Timeout: 30 * time.Second,
KeepAlive: 30 * time.Second,
DualStack: true,
}).DialContext,
ForceAttemptHTTP2: true,
// 最大空闲连接数
MaxIdleConns: 100,
// 空闲连接超时时间
IdleConnTimeout: 90 * time.Second,
// TLS 握手超时时间
TLSHandshakeTimeout: 10 * time.Second,
ExpectContinueTimeout: 1 * time.Second,
}

Transport 实现 RoundTripper 接口,该结构体会发送 http 请求并等待响应。

type RoundTripper interface {
RoundTrip(*Request) (*Response, error)
}

从 RoundTripper 接口我们也可以看出,该接口定义的 RoundTrip 方法会具体的处理请求,处理完毕之后会响应 Response。

回到我们上面的 Client 的 send 方法中,它会调用 send 函数,这个函数主要逻辑都交给 Transport 的 RoundTrip 方法来执行。

RoundTrip 会调用到 roundTrip 方法中:

func (t *Transport) roundTrip(req *Request) (*Response, error) {
t.nextProtoOnce.Do(t.onceSetNextProtoDefaults)
ctx := req.Context()
trace := httptrace.ContextClientTrace(ctx)
...
for {
select {
case <-ctx.Done():
req.closeBody()
return nil, ctx.Err()
default:
} // 封装请求
treq := &transportRequest{Request: req, trace: trace, cancelKey: cancelKey}
cm, err := t.connectMethodForRequest(treq)
if err != nil {
req.closeBody()
return nil, err
}
// 获取连接
pconn, err := t.getConn(treq, cm)
if err != nil {
t.setReqCanceler(cancelKey, nil)
req.closeBody()
return nil, err
} // 等待响应结果
var resp *Response
if pconn.alt != nil {
// HTTP/2 path.
t.setReqCanceler(cancelKey, nil) // not cancelable with CancelRequest
resp, err = pconn.alt.RoundTrip(req)
} else {
resp, err = pconn.roundTrip(treq)
}
if err == nil {
resp.Request = origReq
return resp, nil
}
...
}
}

roundTrip 方法会做两件事情:

  1. 调用 Transport 的 getConn 方法获取连接;
  2. 在获取到连接后,调用 persistConn 的 roundTrip 方法等待请求响应结果;

获取连接 getConn

getConn 有两个阶段:

  1. 调用 queueForIdleConn 获取空闲 connection;
  2. 调用 queueForDial 等待创建新的 connection;

func (t *Transport) getConn(treq *transportRequest, cm connectMethod) (pc *persistConn, err error) {	req := treq.Request	trace := treq.trace	ctx := req.Context()	if trace != nil && trace.GetConn != nil {		trace.GetConn(cm.addr())	}		// 将请求封装成 wantConn 结构体	w := &wantConn{		cm:         cm,		key:        cm.key(),		ctx:        ctx,		ready:      make(chan struct{}, 1),		beforeDial: testHookPrePendingDial,		afterDial:  testHookPostPendingDial,	}	defer func() {		if err != nil {			w.cancel(t, err)		}	}() 	// 获取空闲连接	if delivered := t.queueForIdleConn(w); delivered {		pc := w.pc		...		t.setReqCanceler(treq.cancelKey, func(error) {})		return pc, nil	} 	// 创建连接	t.queueForDial(w) 	select {	// 获取到连接后进入该分支	case <-w.ready:		...		return w.pc, w.err	...}

获取空闲连接 queueForIdleConn

成功获取到空闲 connection:

成功获取 connection 分为如下几步:

  1. 根据当前的请求的地址去空闲 connection 字典中查看存不存在空闲的 connection 列表;
  2. 如果能获取到空闲的 connection 列表,那么获取到列表的最后一个 connection;
  3. 返回;

获取不到空闲 connection:

当获取不到空闲 connection 时:

  1. 根据当前的请求的地址去空闲 connection 字典中查看存不存在空闲的 connection 列表;
  2. 不存在该请求的 connection 列表,那么将该 wantConn 加入到 等待获取空闲 connection 字典中;

从上面的图解应该就很能看出这一步会怎么操作了,这里简要的分析一下代码,让大家更清楚里面的逻辑:

func (t *Transport) queueForIdleConn(w *wantConn) (delivered bool) {	if t.DisableKeepAlives {		return false	}	t.idleMu.Lock()	defer t.idleMu.Unlock() 	t.closeIdle = false	if w == nil { 		return false	} 	// 计算空闲连接超时时间	var oldTime time.Time	if t.IdleConnTimeout > 0 {		oldTime = time.Now().Add(-t.IdleConnTimeout)	}	// Look for most recently-used idle connection.	// 找到key相同的 connection 列表	if list, ok := t.idleConn[w.key]; ok {		stop := false		delivered := false		for len(list) > 0 && !stop {			// 找到connection列表最后一个			pconn := list[len(list)-1] 			// 检查这个 connection 是不是等待太久了			tooOld := !oldTime.IsZero() && pconn.idleAt.Round(0).Before(oldTime)			if tooOld { 				go pconn.closeConnIfStillIdle()			}			// 该 connection 被标记为 broken 或 闲置太久 continue			if pconn.isBroken() || tooOld { 				list = list[:len(list)-1]				continue			}			// 尝试将该 connection 写入到 w 中			delivered = w.tryDeliver(pconn, nil)			if delivered {				// 操作成功,需要将 connection 从空闲列表中移除				if pconn.alt != nil { 				} else { 					t.idleLRU.remove(pconn)					list = list[:len(list)-1]				}			}			stop = true		}		if len(list) > 0 {			t.idleConn[w.key] = list		} else {			// 如果该 key 对应的空闲列表不存在,那么将该key从字典中移除			delete(t.idleConn, w.key)		}		if stop {			return delivered		}	} 	// 如果找不到空闲的 connection	if t.idleConnWait == nil {		t.idleConnWait = make(map[connectMethodKey]wantConnQueue)	}  // 将该 wantConn 加入到 等待获取空闲 connection 字典中	q := t.idleConnWait[w.key] 	q.cleanFront()	q.pushBack(w)	t.idleConnWait[w.key] = q	return false}

上面的注释已经很清楚了,我这里就不再解释了。

建立连接 queueForDial

在获取不到空闲连接之后,会尝试去建立连接,从上面的图大致可以看到,总共分为以下几个步骤:

  1. 在调用 queueForDial 方法的时候会校验 MaxConnsPerHost 是否未设置或已达上限;

    1. 检验不通过则将当前的请求放入到 connsPerHostWait 等待字典中;
  2. 如果校验通过那么会异步的调用 dialConnFor 方法创建连接;
  3. dialConnFor 方法首先会调用 dialConn 方法创建 TCP 连接,然后启动两个异步线程来处理读写数据,然后调用 tryDeliver 将连接绑定到 wantConn 上面。

下面进行代码分析:

func (t *Transport) queueForDial(w *wantConn) {	w.beforeDial()	// 小于零说明无限制,异步建立连接	if t.MaxConnsPerHost <= 0 {		go t.dialConnFor(w)		return	}	t.connsPerHostMu.Lock()	defer t.connsPerHostMu.Unlock()	// 每个 host 建立的连接数没达到上限,异步建立连接	if n := t.connsPerHost[w.key]; n < t.MaxConnsPerHost {		if t.connsPerHost == nil {			t.connsPerHost = make(map[connectMethodKey]int)		}		t.connsPerHost[w.key] = n + 1		go t.dialConnFor(w)		return	}	//每个 host 建立的连接数已达到上限,需要进入等待队列	if t.connsPerHostWait == nil {		t.connsPerHostWait = make(map[connectMethodKey]wantConnQueue)	}	q := t.connsPerHostWait[w.key]	q.cleanFront()	q.pushBack(w)	t.connsPerHostWait[w.key] = q}

这里主要进行参数校验,如果最大连接数限制为零,亦或是每个 host 建立的连接数没达到上限,那么直接异步建立连接。

dialConnFor

func (t *Transport) dialConnFor(w *wantConn) {	defer w.afterDial()	// 建立连接	pc, err := t.dialConn(w.ctx, w.cm)	// 连接绑定 wantConn	delivered := w.tryDeliver(pc, err)	// 建立连接成功,但是绑定 wantConn 失败	// 那么将该连接放置到空闲连接字典或调用 等待获取空闲 connection 字典 中的元素执行	if err == nil && (!delivered || pc.alt != nil) { 		t.putOrCloseIdleConn(pc)	}	if err != nil {		t.decConnsPerHost(w.key)	}}

dialConnFor 会调用 dialConn 进行 TCP 连接创建,创建完毕之后调用 tryDeliver 方法和 wantConn 进行绑定。

dialConn

func (t *Transport) dialConn(ctx context.Context, cm connectMethod) (pconn *persistConn, err error) {	// 创建连接结构体	pconn = &persistConn{		t:             t,		cacheKey:      cm.key(),		reqch:         make(chan requestAndChan, 1),		writech:       make(chan writeRequest, 1),		closech:       make(chan struct{}),		writeErrCh:    make(chan error, 1),		writeLoopDone: make(chan struct{}),	}	...	if cm.scheme() == "https" && t.hasCustomTLSDialer() {		...	} else {		// 建立 tcp 连接		conn, err := t.dial(ctx, "tcp", cm.addr())		if err != nil {			return nil, wrapErr(err)		}		pconn.conn = conn 	} 	...	if s := pconn.tlsState; s != nil && s.NegotiatedProtocolIsMutual && s.NegotiatedProtocol != "" {		if next, ok := t.TLSNextProto[s.NegotiatedProtocol]; ok {			alt := next(cm.targetAddr, pconn.conn.(*tls.Conn))			if e, ok := alt.(http2erringRoundTripper); ok {				// pconn.conn was closed by next (http2configureTransport.upgradeFn).				return nil, e.err			}			return &persistConn{t: t, cacheKey: pconn.cacheKey, alt: alt}, nil		}	}	pconn.br = bufio.NewReaderSize(pconn, t.readBufferSize())	pconn.bw = bufio.NewWriterSize(persistConnWriter{pconn}, t.writeBufferSize())	//为每个连接异步处理读写数据	go pconn.readLoop()	go pconn.writeLoop()	return pconn, nil}

这里会根据 schema 的不同设置不同的连接配置,我上面显示的是我们常用的 HTTP 连接的创建过程。对于 HTTP 来说会建立 tcp 连接,然后为连接异步处理读写数据,最后将创建好的连接返回。

等待响应

这一部分的内容会稍微复杂一些,但确实非常的有趣。

在创建连接的时候会初始化两个 channel :writech 负责写入请求数据,reqch负责读取响应数据。我们在上面创建连接的时候,也提到了会为连接创建两个异步循环 readLoop 和 writeLoop 来负责处理读写数据。

在获取到连接之后,会调用连接的 roundTrip 方法,它首先会将请求数据写入到 writech 管道中,writeLoop 接收到数据之后就会处理请求。

然后 roundTrip 会将 requestAndChan 结构体写入到 reqch 管道中,然后 roundTrip 会循环等待。readLoop 读取到响应数据之后就会通过 requestAndChan 结构体中保存的管道将数据封装成 responseAndError 结构体回写,这样 roundTrip 就可以接受到响应数据结束循环等待并返回。

roundTrip

func (pc *persistConn) roundTrip(req *transportRequest) (resp *Response, err error) {	...	writeErrCh := make(chan error, 1)	// 将请求数据写入到 writech 管道中	pc.writech <- writeRequest{req, writeErrCh, continueCh}	// 用于接收响应的管道	resc := make(chan responseAndError)	// 将用于接收响应的管道封装成 requestAndChan 写入到 reqch 管道中	pc.reqch <- requestAndChan{		req:        req.Request,		cancelKey:  req.cancelKey,		ch:         resc,		...	}	...	for {		testHookWaitResLoop()		select { 		// 接收到响应数据		case re := <-resc:			if (re.res == nil) == (re.err == nil) {				panic(fmt.Sprintf("internal error: exactly one of res or err should be set; nil=%v", re.res == nil))			}			if debugRoundTrip {				req.logf("resc recv: %p, %T/%#v", re.res, re.err, re.err)			}			if re.err != nil {				return nil, pc.mapRoundTripError(req, startBytesWritten, re.err)			}			// 返回响应数据			return re.res, nil		...	}}

这里会封装好 writeRequest 作为发送请求的数据,并将用于接收响应的管道封装成 requestAndChan 写入到 reqch 管道中,然后循环等待接受响应。

然后 writeLoop 会进行请求数据 writeRequest :

func (pc *persistConn) writeLoop() {	defer close(pc.writeLoopDone)	for {		select {		case wr := <-pc.writech:			startBytesWritten := pc.nwrite			// 向 TCP 连接中写入数据,并发送至目标服务器			err := wr.req.Request.write(pc.bw, pc.isProxy, wr.req.extra, pc.waitForContinue(wr.continueCh))			...		case <-pc.closech:			return		}	}}

这里会将从 writech 管道中获取到的数据写入到 TCP 连接中,并发送至目标服务器。

readLoop

func (pc *persistConn) readLoop() {	closeErr := errReadLoopExiting // default value, if not changed below	defer func() {		pc.close(closeErr)		pc.t.removeIdleConn(pc)	}()	... 	alive := true	for alive {		pc.readLimit = pc.maxHeaderResponseSize()		// 获取 roundTrip 发送的结构体		rc := <-pc.reqch		trace := httptrace.ContextClientTrace(rc.req.Context())		var resp *Response		if err == nil {			// 读取数据			resp, err = pc.readResponse(rc, trace)		} else {			err = transportReadFromServerError{err}			closeErr = err		}		...  		// 将响应数据写回到管道中		select {		case rc.ch <- responseAndError{res: resp}:		case <-rc.callerGone:			return		}		...	}}

这里是从 TCP 连接中读取到对应的请求响应数据,通过 roundTrip 传入的管道再回写,然后 roundTrip 就会接受到数据并获取的响应数据返回。

http server

我这里继续以一个简单的例子作为开头:

func HelloHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {	fmt.Fprintf(w, "Hello World")}func main () {	http.HandleFunc("/", HelloHandler)	http.ListenAndServe(":8000", nil)}

在实现上面我先用一张图进行简要的介绍一下:

其实我们从上面例子的方法名就可以知道一些大致的步骤:

  1. 注册处理器到一个 hash 表中,可以通过键值路由匹配;
  2. 注册完之后就是开启循环监听,每监听到一个连接就会创建一个 Goroutine;
  3. 在创建好的 Goroutine 里面会循环的等待接收请求数据,然后根据请求的地址去处理器路由表中匹配对应的处理器,然后将请求交给处理器处理;

注册处理器

处理器的注册如上面的例子所示,是通过调用 HandleFunc 函数来实现的。

HandleFunc 函数会一直调用到 ServeMux 的 Handle 方法中。

func (mux *ServeMux) Handle(pattern string, handler Handler) {	mux.mu.Lock()	defer mux.mu.Unlock()	...	e := muxEntry{h: handler, pattern: pattern}	mux.m[pattern] = e	if pattern[len(pattern)-1] == '/' {		mux.es = appendSorted(mux.es, e)	}	if pattern[0] != '/' {		mux.hosts = true	}}

Handle 会根据路由作为 hash 表的键来保存 muxEntry 对象,muxEntry封装了 pattern 和 handler。如果路由表达式以'/'结尾,则将对应的muxEntry对象加入到[]muxEntry中。

hash 表是用于路由精确匹配,[]muxEntry用于部分匹配。

监听

监听是通过调用 ListenAndServe 函数,里面会调用 server 的 ListenAndServe 方法:

func (srv *Server) ListenAndServe() error {	if srv.shuttingDown() {		return ErrServerClosed	}	addr := srv.Addr	if addr == "" {		addr = ":http"	}    // 监听端口	ln, err := net.Listen("tcp", addr)	if err != nil {		return err	}    // 循环接收监听到的网络请求	return srv.Serve(ln)}

Serve

func (srv *Server) Serve(l net.Listener) error { 	...	baseCtx := context.Background()  	ctx := context.WithValue(baseCtx, ServerContextKey, srv)	for {		// 接收 listener 过来的网络连接		rw, err := l.Accept()		... 		tempDelay = 0		c := srv.newConn(rw)		c.setState(c.rwc, StateNew) 		// 创建协程处理连接		go c.serve(connCtx)	}}

Serve 这个方法里面会用一个循环去接收监听到的网络连接,然后创建协程处理连接。所以难免就会有一个问题,如果并发很高的话,可能会一次性创建太多协程,导致处理不过来的情况。

处理请求

处理请求是通过为每个连接创建 goroutine 来处理对应的请求:

func (c *conn) serve(ctx context.Context) {	c.remoteAddr = c.rwc.RemoteAddr().String()	ctx = context.WithValue(ctx, LocalAddrContextKey, c.rwc.LocalAddr()) 	... 	ctx, cancelCtx := context.WithCancel(ctx)	c.cancelCtx = cancelCtx	defer cancelCtx() 	c.r = &connReader{conn: c}	c.bufr = newBufioReader(c.r)	c.bufw = newBufioWriterSize(checkConnErrorWriter{c}, 4<<10)  	for {		// 读取请求		w, err := c.readRequest(ctx) 		... 		// 根据请求路由调用处理器处理请求		serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)		w.cancelCtx()		if c.hijacked() {			return		}		w.finishRequest() 		...	}}

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 for 循环里面会循环调用 readRequest 读取请求进行处理。

请求处理是通过调用 ServeHTTP 进行的:

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)}

serverHandler 其实就是 Server 包装了一层。这里的 sh.srv.Handler参数实际上是传入的 ServeMux 实例,所以这里最后会调用到 ServeMux 的 ServeHTTP 方法。

最终会通过 handler 调用到 match 方法进行路由匹配:

func (mux *ServeMux) match(path string) (h Handler, pattern string) {	v, ok := mux.m[path]	if ok {		return v.h, v.pattern	} 	for _, e := range mux.es {		if strings.HasPrefix(path, e.pattern) {			return e.h, e.pattern		}	}	return nil, ""}

这个方法里首先会利用进行精确匹配,如果匹配成功那么直接返回;匹配不成功,那么会根据 []muxEntry中保存的和当前路由最接近的已注册的父节点路由进行匹配,否则继续匹配下一个父节点路由,直到根路由/。最后会调用对应的处理器进行处理。

Reference

https://cloud.tencent.com/developer/article/1515297

https://duyanghao.github.io/http-transport/

https://draveness.me/golang/docs/part4-advanced/ch09-stdlib/golang-net-http

https://laravelacademy.org/post/21003

https://segmentfault.com/a/1190000021653550

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