C语言实现简单Web服务器：入门与实战

说到 web 服务器想必大多数人首先想到的协议是 http，那么 http 之下则是 tcp，本篇文章将通过 tcp 来实现一个简单的 web 服务器。

本篇文章将着重讲解如何实现，对于 http 与 tcp 的概念本篇将不过多讲解。

一、了解 Socket 及 web 服务工作原理

既然是基于 tcp 实现 web 服务器，很多学习 C 语言的小伙伴可能会很快的想到套接字 socket。socket 是一个较为抽象的通信进程，或者说是主机与主机进行信息交互的一种抽象。socket 可以将数据流送入网络中，也可以接收数据流。

socket 的信息交互与本地文件信息的读取从表面特征上看类似，但其中所存在的编写复杂度是本地 IO 不能比拟的，但却有相似点。在 win 下 socket 的交互交互步骤为：WSAStartup 进行初始化--> socket 创建套接字--> bind 绑定--> listen 监听--> connect 连接--> accept 接收请求--> send/recv 发送或接收数据--> closesocket 关闭 socket--> WSACleanup 最终关闭。

了解完了一个 socket 的基本步骤后我们了解一下一个基本 web 请求的用户常规操作，操作分为：打开浏览器-->输入资源地址 ip 地址-->得到资源。当目标服务器接收到该操作产生掉请求后，我们可以把服务器的响应流程步骤看为：获得 request 请求-->得到请求关键数据-->获取关键数据-->发送关键数据。服务器的这一步流程是在启动socket 进行监听后才能响应。通过监听得知接收到请求，使用 recv 接收请求数据，从而根据该参数得到进行资源获取，最后通过 send 将数据进行返回。

二、创建sokect完成监听

2.1 WSAStartup初始化

首先在c语言头文件中引入依赖 WinSock2.h：

#include?<WinSock2.h>

在第一点中对 socket 的创建步骤已有说明，首先需要完成 socket 的初始化操作，使用函数 WSAStartup，该函数的原型为：

int?WSAStartup(??WORD??????wVersionRequired,??LPWSADATA?lpWSAData);

该函数的参数 wVersionRequired 表示 WinSock2 的版本号；lpWSAData 参数为指向 WSADATA 的指针，WSADATA 结构用于 WSAStartup 初始化后返回的信息。

wVersionRequired 可以使用 MAKEWORD 生成，在这里可以使用版本 1.1 或版本2.2，1.1 只支持 TCP/IP，版本 2.1 则会有更多的支持，在此我们选择版本 1.1。

首先声明一个 WSADATA 结构体 ：

WSADATA?wsaData;

随后传参至初始化函数 WSAStartup 完成初始化：

WSAStartup(MAKEWORD(1,?1),?&wsaData)

WSAStartup 若初始化失败则会返回非0值：

if?(WSAStartup(MAKEWORD(1,?1),?&wsaData)?!=?0)?{?exit(1);}

2.2 创建socket 套接字

初始化完毕后开始创建套接字，套接字创建使用函数，函数原型为：

SOCKET?WSAAPI?socket(??int?af,??int?type,??int?protocol);

在函数原型中，af 表示 IP 地址类型，使用 PF_INET 表示 IPV4，type 表示使用哪种通信类型，例如 SOCK_STREAM 表示 TCP，protocol 表示传输协议，使用 0 会根据前 2 个参数使用默认值。

int?skt?=?socket(PF_INET,?SOCK_STREAM,?0);

创建完 socket 后，若为 -1 表示创建失败，进行判断如下：

if?(skt?==?-1)?{??????????return?-1;}

2.3 绑定服务器

创建完 socket 后需要对服务器进行绑定，配置端口信息、IP 地址等。 首先查看 bind 函数需要哪一些参数，函数原型如下：

int?bind(??SOCKET?????????socket,??const?sockaddr?*addr,??int????????????addrlen);

参数 socket 表示绑定的 socket，传入 socket 即可；addr 为 sockaddr_in 的结构体变量的指针，在 sockaddr_in 结构体变量中配置一些服务器信息；addrlen 为 addr 的大小值。

通过 bind 函数原型得知了我们所需要的数据，接下来创建一个 sockaddr_in 结构体变量用于配置服务器信息：

struct?sockaddr_in?server_addr;

随后配置地址家族为AF_INET对应TCP/IP：

server_addr.sin_family?=?AF_INET;

接着配置端口信息：

server_addr.sin_port?=?htons(8080);

再指定 ip 地址：

server_addr.sin_addr.s_addr?=?inet_addr("127.0.0.1");

ip 地址若不确定可以手动输入，最后使用神器 memset 初始化内存，完整代码如下：

//配置服务器?struct?sockaddr_in?server_addr;server_addr.sin_family?=?AF_INET;server_addr.sin_port?=?htons(8080);server_addr.sin_addr.s_addr?=?inet_addr("127.0.0.1");memset(&(server_addr.sin_zero),?'\0',?8);

随后使用 bind 函数进行绑定且进行判断是否绑定成功：

//绑定if?(bind(skt,?(struct?sockaddr?*)&server_addr,sizeof(server_addr))?==?-1)?{????????return?-1;?}?

2.4 listen进行监听

绑定成功后开始对端口进行监听。查看 listen 函数原型：

int?listen(?int?sockfd,??int?backlog)

函数原型中，参数 sockfd 表示监听的套接字，backlog 为设置内核中的某一些处理（此处不进行深入讲解），直接设置成 10 即可，最大上限为 128。使用监听并且判断是否成功代码为：

if?(listen(skt,?10)?==?-1?)?{?????return?-1;}

此阶段完整代码如下：

#include?<WinSock2.h>#include<stdio.h>?int?main(){?//初始化??WSADATA?wsaData;?if?(WSAStartup(MAKEWORD(1,?1),?&wsaData)?!=?0)?{??exit(1);?}?//socket创建??int?skt?=?socket(PF_INET,?SOCK_STREAM,?0);?if?(skt?==?-1)?{???????????return?-1;?}?//配置服务器??struct?sockaddr_in?server_addr;?server_addr.sin_family?=?AF_INET;?server_addr.sin_port?=?htons(8080);?server_addr.sin_addr.s_addr?=?inet_addr("127.0.0.1");?memset(&(server_addr.sin_zero),?'\0',?8);?//绑定?if?(bind(skt,?(struct?sockaddr?*)&server_addr,sizeof(server_addr))?==?-1){?????????return?-1;??}??//监听??if?(listen(skt,?10)?==?-1?)?{??????return?-1;?}??printf("Listening?...?...\n");}

运行代码可得知代码无错误，并且输出 listening：

2.5 获取请求

监听完成后开始获取请求。受限需要使用 accept 对套接字进行连接，accept 函数原型如下：

int?accept(?int?sockfd,?struct?sockaddr?*addr,?socklen_t?*addrlen?);

参数 sockfd 为指定的套接字；addr 为指向 struct sockaddr 的指针，一般为客户端地址；addrlen 一般设置为设置为 sizeof(struct sockaddr_in) 即可。代码为：

struct?sockaddr_in?c_skt;?int?s_size=sizeof(struct???sockaddr_in);int?access_skt?=?accept(skt,?(struct?sockaddr?*)&c_skt,?&s_size);

接下来开始接受客户端的请求，使用recv函数，函数原型为：

ssize_t?recv(?int?sockfd,??void?*buf,??size_t?len,??int?flags)

参数 sockfd 为 accept 建立的通信；buf 为缓存，数据存放的位置；len 为缓存大小；flags 一般设置为0即可：

//获取数据?char?buf[1024];if?(recv(access_skt,?buf,?1024,?0)?==?-1)?{?exit(1);}

此时我们再到 accpt 和 recv 外层添加一个循环，使之流程可重复：

while(1){??//建立连接???printf("Listening?...?...\n");??struct?sockaddr_in?c_skt;???int?s_size=sizeof(struct???sockaddr_in);??int?access_skt?=?accept(skt,?(struct?sockaddr?*)&c_skt,?&s_size);????//获取数据???char?buf[1024];??if?(recv(access_skt,?buf,?1024,?0)?==?-1)?{???exit(1);??}?}?

并且可以在浏览器输入 127.0.0.1:8080 将会看到客户端打印了 listening 新建了链接:

我们添加printf语句可查看客户端请求：

while(1){??//建立连接???printf("Listening?...?...\n");??struct?sockaddr_in?c_skt;???int?s_size=sizeof(struct???sockaddr_in);??int?access_skt?=?accept(skt,?(struct?sockaddr?*)&c_skt,?&s_size);????//获取数据???char?buf[1024];??if?(recv(access_skt,?buf,?1024,?0)?==?-1)?{???exit(1);??}????printf("%s",buf);?}?

接下来我们对请求头进行对应的操作。

2.6 请求处理层编写

得到请求后开始编写处理层。继续接着代码往下写没有层级，编写一个函数名为 req，该函数接收请求信息与一个建立好的连接为参数：

void?req(char*?buf,?int?access_socket)?{}

然后先在 while 循环中传递需要的值：

req(buf,?access_skt);

接着开始编写 req 函数，首先在 req 函数中标记当前目录下：

char?arguments[BUFSIZ];??strcpy(arguments,?"./");

随后分离出请求与参数：

char?command[BUFSIZ];?????sscanf(request,?"%s%s",?command,?arguments+2);

接着我们标记一些头元素：

char*?extension?=?"text/html";???char*?content_type?=?"text/plain";?????char*?body_length?=?"Content-Length:?";

接着获取请求参数，若获取 index.html，就获取当前路径下的该文件：

FILE*?rfile=?fopen(arguments,?"rb");

获取文件后表示请求 ok，我们先返回一个 200 状态：

char*?head?=?"HTTP/1.1?200?OK\r\n";????int?len;?char?ctype[30]?=?"Content-type:text/html\r\n";???len?=?strlen(head);

接着编写一个发送函数 send_：

int?send_(int?s,?char?*buf,?int?*len)?{?int?total;???????????int?bytesleft;?????????????????????????????????int?n;?total=0;?bytesleft=*len;?while(total?<?*len)??{??n?=?send(s,?buf+total,?bytesleft,?0);??if?(n?==?-1)???{???break;??}??total?+=?n;??bytesleft?-=?n;?}?*len?=?total;???????????return?n==-1?-1:0;?????????}

send 函数功能并不难在此不再赘述，就是一个遍历发送的逻辑。随后发送 http 响应与文件类型：

send_(send_to,?head,?&len);len?=?strlen(ctype);send_(send_to,?ctype,?&len);

随后获得请求文件的描述，需要添加头文件#include <sys/stat.h>使用fstat，且向已连接的通信发生必要的信息 ：

//获取文件描述struct?stat?statbuf;char?read_buf[1024];???????char?length_buf[20];fstat(fileno(rfile),?&statbuf);itoa(?statbuf.st_size,?length_buf,?10?);send(client_sock,?body_length,?strlen(body_length),?0);send(client_sock,?length_buf,?strlen(length_buf),?0);send(client_sock,?"\n",?1,?0);send(client_sock,?"\r\n",?2,?0);

最后发送数据：

//·数据发送char?read_buf[1024];?len?=?fread(read_buf?,1?,?statbuf.st_size,?rfile);if?(send_(client_sock,?read_buf,?&len)?==?-1)?{??printf("error!");???}

最后访问地址 http://127.0.0.1:8080/index.html，得到当前目录下 index.html 文件数据，并且在浏览器渲染：

所有代码如下：

#include?<WinSock2.h>#include<stdio.h>?#include?<sys/stat.h>?int?send_(int?s,?char?*buf,?int?*len)?{?int?total;???????????int?bytesleft;?????????????????????????????????int?n;?total=0;?bytesleft=*len;?while(total?<?*len)??{??n?=?send(s,?buf+total,?bytesleft,?0);??if?(n?==?-1)???{???break;??}??total?+=?n;??bytesleft?-=?n;?}?*len?=?total;???????????return?n==-1?-1:0;?????????}void?req(char*?request,?int?client_sock)?{????char?arguments[BUFSIZ];???strcpy(arguments,?"./");??char?command[BUFSIZ];??????sscanf(request,?"%s%s",?command,?arguments+2);??char*?extension?=?"text/html";????char*?content_type?=?"text/plain";??????char*?body_length?=?"Content-Length:?";??FILE*?rfile=?fopen(arguments,?"rb");??char*?head?=?"HTTP/1.1?200?OK\r\n";?????int?len;??char?ctype[30]?=?"Content-type:text/html\r\n";????len?=?strlen(head);???send_(client_sock,?head,?&len);?len?=?strlen(ctype);?send_(client_sock,?ctype,?&len);??struct?stat?statbuf;????????char?length_buf[20];?fstat(fileno(rfile),?&statbuf);?itoa(?statbuf.st_size,?length_buf,?10?);?send(client_sock,?body_length,?strlen(body_length),?0);?send(client_sock,?length_buf,?strlen(length_buf),?0);?send(client_sock,?"\n",?1,?0);?send(client_sock,?"\r\n",?2,?0);??char?read_buf[1024];??len?=?fread(read_buf?,1?,?statbuf.st_size,?rfile);?if?(send_(client_sock,?read_buf,?&len)?==?-1)?{???printf("error!");????}??return;}int?main(){?WSADATA?wsaData;?if?(WSAStartup(MAKEWORD(1,?1),?&wsaData)?!=?0)?{??exit(1);?}?int?skt?=?socket(PF_INET,?SOCK_STREAM,?0);?if?(skt?==?-1)?{???????????return?-1;?}?struct?sockaddr_in?server_addr;?server_addr.sin_family?=?AF_INET;?server_addr.sin_port?=?htons(8080);?server_addr.sin_addr.s_addr?=?inet_addr("127.0.0.1");?memset(&(server_addr.sin_zero),?'\0',?8);?if?(bind(skt,?(struct?sockaddr?*)&server_addr,sizeof(server_addr))?==?-1)?{?????????return?-1;??}??if?(listen(skt,?10)?==?-1?)?{??????return?-1;?}??while(1){??printf("Listening?...?...\n");??struct?sockaddr_in?c_skt;???int?s_size=sizeof(struct???sockaddr_in);??int?access_skt?=?accept(skt,?(struct?sockaddr?*)&c_skt,?&s_size);??char?buf[1024];??if?(recv(access_skt,?buf,?1024,?0)?==?-1)?{???exit(1);??}????req(buf,?access_skt);?}??}

小伙伴们可以编写更加灵活的指定资源类型、错误处理等完善这个 demo。