基于Linux的2种HTTP服务器实现与对比分析

江存

基于Linux的2种HTTP服务器实现与对比分析

江存

（四川大学计算学院，成都 610000）

探讨Linux环境下的多线程并发编程的问题，介绍采用C语言实现基于动态线程池模式的简单服务器与基于epoll+多线程模式的简单服务器，采用Webbench进行压力测试，并对结果做出分析与思考。

线程池；epoll；并发编程；HTTP

0 引言

HTTP协议是互联网中重要的协议，Web浏览器、服务器和相关的应用程序都是HTTP互通的，对其进行研究十分有必要。本文着重研究分析了HTTP服务器的设计与实现方式，一个设计架构良好的服务器需要高效稳定可扩展性，尽可能满足多的任务请求。本文着重设计实现了态线程池模式和epoll加多线程模式，并对其进行分析。

1 原理分析

1.1 HTTP协议简介

http服务器是基于TCP协议的应用层协议，名为超文本传输协议。Web客户端与服务器端进行数据传输就是依靠HTTP协议实现的。它是全球因特网使用的公共语言。

通常，一个客户端与服务器建立连接之后，会发送一个请求个服务器，请求报文的格式一般为：请求起始行、请求首部字段和主体部分。服务器在将报文解析出来，在发送一个响应报文，和请求报文类似，也分为三个部分：响应起始行、响应首部、响应主体。

请求报文格式如下：

＜method＞ ＜reque-uri＞ ＜version＞

＜headers＞

＜entity-body＞

响应报文格式为:

＜version＞ ＜status＞ ＜reason-pharse＞

＜headers＞

＜entity-body＞

●方法（method）

客户希望服务器对资源进行的动作。如get，post等方法。

●请求 URL（request-URL）

所请求的资源地址。

●版本（version）

所使用的HTTP协议版本。

●状态码（status）

这三位数字描述了请求过程中所发生的情况。

●原因短语（reason-phrase）

数字状态码的可读版本，包含行终止序列的所有文本。

●首部（header）

可以有零个或者多个首部，每个首部包含一个名字，后面接一个逗号，然后是个可选空格，然后是一个值，最后是一个CRLF。

●实体的主体部分（entity-body）

包含任意数据组成的数据块。并不是所有的报文都包含实体的主体部分，有时报文以一个CRCL结束。

1.2 HTTP服务器架构分析与设计

（1）基于线程池的HTTP服务器

由于单个进程无法同时处理读个连接，并且无法发挥服务器多核心的优势，但是用多进程，每个进程分别处理不同的请求，又太耗费资源，所以采用多线程的模型来处理，与此同时，由于HTTP请求和响应很快，创建和销毁线程又非常的频繁，需要很大的系统资源开销，所以采用预先创建线程池来处理HTTP任务，既发挥了CPU多核心的优势又减少了不必要的系统开销。服务器工作原理如下：首先建立套接字描述符，接着绑定地址，在监听套接字看是否有连接接入，有接入就分配一个线程去处理任务。

其中线程池管理过程为：当主线程获取了一个连接后，将任务添加到线程池管理结构中的任务队列中，并检测是否需要增加线程，唤醒等待中的线程，唤醒的线程去任务队列中取下任务进行处理，处理完后继续队列任务。如此同时，单独创建一个检测线程，当满足条件后就会销毁一部分线程，以达到根据具体需求动态改变线程池大小的需求，如此往复。

（2）基于epoll加多线程的HTTP服务器架构

由于前面采用线程池模型，每个请求必须要一个线程去处理，处理完成后才会去做下一个任务，如果请求时保持型的长连接，那么很快线程池就被消耗完了，而其他的请求得不到满足。在这个问题基础上，改进了单独线程池模型的不足，采用epoll模型来，为了充分利用多核心的优势，采用了多线程加epoll模型，每个线程单独处理一个epoll对象，这样线程之间互不干扰，减少线程调度和切换的开销，同时提高了CPU的利用率。

2 详细设计实现

2.1 线程池模型关键结构设计

（1）下面介绍一些必要的数据结构

●任务结点设计

（2）服务器处理步骤

图1

图2

2.2 epoll+多线程模式关键结构设计

（1）epoll主要结构如下

①连接信息结构

void add_epoll_event(int epfd,Conn*conn,int flags)函数负责向epoll对象中添加事件信息，epfd是epoll对象文件描述符，conn是连接请求信息，flags事件触发方式。

void mod_epoll_event(int epfd,Conn*conn,int flags)函数负责对epoll对象中的事件信息进行修改。

void del_epoll_event_close_fd(int epfd,Conn*conn)函数负责删除epoll对象中的事件，并且关闭套接字描述符fd。

其他创建和收集发生事件的连接直接调用系统函数epoll_create和epoll_wait函数。

（2）基于epoll的服务器处理流程图如下：

图3

3 测试结果与分析

笔者采用开源软件Webbench进行测试，主要采用GET方法请求，属于I/O型事件处理请求，两个模式服务器部署在同一个主机上进行测试，另一个主机每次模拟不同数量的客户端，每次测试时间30秒，测试10次，失败为止，表1是基于线程池的服务器的测试数据，表2是基于epoll+多线程的服务器的测试数据，可以看到，随着并发客户数越多，epoll效率几乎不受影响，同等条件下，当并发数超过4000时，线程池服务器就会出现请求失败的情况，而epoll服务器几乎不受影响。说明对于高并发和I/O型事件，epoll模式要由于一般的线程池模式。测试结果如下：

基于线程池服务器测试的截图和结果：

图4

图5

4 结语

笔者研究了HTTP服务器原理以及实现，并且为了最大可能利用计算机资源和尽可能并发处理程序，经过比较最后选择基于线程池和epoll+线程模式两种方式进行对比测试分析，得出在不同情况下根据具体需求采用不同模型的必要性，当并发程度要求不高，二者性能将近，但是特别是在并发连接多I/O型事件请求任务下，epoll模式表现良好。一个好的服务器需要考虑很多方面，笔者才疏学浅只是在相对理想条件下进行测试，总之对此还需继续深入的研究与分析。

表1

表2

[1]W.Richard Stevens,Stephen A.Rago著.UNIX环境高级编程[M].戚正伟，张亚英，尤晋元译.北京:人民邮电出版社,2014.

[2]W.Richard Stevens，Bill Fenner,Andrew M.Ruoff著.UNIX网络编程[M].北京:人民邮电出版社，2015.

[3]David Gourley,Brian Totty,Marjorie Sayer,Sailu Reddy,Anshu Aggarwal著.HTTP权威指南[M].陈涓，赵振平译.北京:人民邮电出版社,2012.

[4]王远洋,周渊平,郭焕丽.Linux下基于Socket多线程并发通信的实现[J].微计算机信息,2009,25(5).

[5]催滨,万旺根,余小清,楼顺天.基于EPOLL机制的Linux网络游戏服务器实现方法[J].微计算机信息,2006,22(7).

[6]梁明刚,陈西曲.Linux下基于epoll+线程池高并发服务器实现研究[J].武汉轻工大学学报,2012,31(3).

Implementation and Comparison of Two Kinds of HTTP Server Based on Linux

JIANG Cun
（College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610000）

Discusses the problem of multi-threaded concurrent programming in Linux environment,introduces the simple server based on dynamic thread pool mode and simple server based on epoll+multi-thread mode written in C language and Webbench is used for stress testing，fi⁃nally makes a summary of test.

Thread Pool;Epoll;Concurrent Programming;HTTP

1007-1423（2017）24-0058-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.24.014

江存（1991-），男，湖北黄冈人，硕士研究生，研究方向为网络与信息安全

2017-04-27

2017-08-05