自己動手開發一個 Web 伺服器（一）

有一天，一位女士散步時經過一個工地，看見有三個工人在幹活。她問第一個人，“你在做什麼？”第一個人有點不高興，吼道“難道你看不出來我在砌磚嗎？”女士對這個答案並不滿意，接著問第二個人他在做什麼。第二個人回答道，“我正在建造一堵磚牆。”然後，他轉向第一個人，說道：“嘿，你砌的磚已經超過牆高了。你得把最後一塊磚拿下來。”女士對這個答案還是不滿意，她接著問第三個人他在做什麼。第三個人抬頭看著天空，對她說：“我在建造這個世界上有史以來最大的教堂”。就在他望著天空出神的時候，另外兩個人已經開始爭吵多出的那塊磚。他慢慢轉向前兩個人，說道：“兄弟們，別管那塊磚了。這是一堵內牆,之後還會被刷上石灰的，沒人會注意到這塊磚。接著砌下層吧。”

這個故事的寓意在於，當你掌握了整個系統的設計，明白不同的元件是以何種方式組合在一起的（磚塊，牆，教堂）時候，你就能夠更快地發現並解決問題（多出的磚塊）。

但是，這個故事與從頭開發一個 Web 伺服器有什麼關係呢？

在我看來，要成為一名更優秀的程式設計師，你必須更好地理解自己日常使用的軟體系統，而這就包括了程式語言、編譯器、直譯器、資料庫與作業系統、 Web 伺服器和網路開發框架。而要想更好、更深刻地理解這些系統，你必須從頭重新開發這些系統，一步一個腳印地重來一遍。

孔子曰：不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之。

不聞不若聞之

聞之不若見之

見之不若知之，知之不若行之。

譯者注：上面原作者所引用的那段話在國外的翻譯是：I hear and I forget, I see and I remember, I do and I understand。外國人普遍認為出自孔子，但在查詢這句英文的出處時，查到有篇博文稱這句話的中文實際出自荀子的《儒效篇》，經查確實如此。

我希望你讀到這裡的時候，已經認可了通過重新開發不同軟體系統來學習其原理這種方式。

《自己動手開發 Web 伺服器》會分為三個部分，將介紹如何從頭開發一個簡易 Web 伺服器。我們這就開始吧。

首先，到底什麼是 Web 伺服器？

簡而言之，它是在物理伺服器上搭建的一個網路連線伺服器（networking server），永久地等待客戶端傳送請求。當伺服器收到請求之後，它會生成響應並將其返回至客戶端。客戶端與伺服器之間的通訊，是以HTTP協議進行的。客戶端可以是瀏覽器，也可以是任何支援HTTP協議的軟體。

那麼， Web 伺服器的簡單實現形式會是怎樣的呢？下面是我對此的理解。示例程式碼使用Python語言實現，不過即使你不懂Python語言，你應該也可以從程式碼和下面的解釋中理解相關的概念：

import socket

HOST, PORT = '', 8888

listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
listen_socket.bind((HOST, PORT))
listen_socket.listen(1)
print 'Serving HTTP on port %s ...' % PORT
while True:
    client_connection, client_address = listen_socket.accept()
    request = client_connection.recv(1024)
    print request

    http_response = """/
    HTTP/1.1 200 OK

    Hello, World!
    """

    client_connection.sendall(http_response)
    client_connection.close()

將上面的程式碼儲存為webserver1.py，或者直接從我的Github倉庫下載，然後通過命令列執行該檔案：

$ python webserver1.py
Serving HTTP on port 8888 …

接下來，在瀏覽器的位址列輸入這個連結：http://localhost:8888/hello，然後按下Enter鍵，你就會看見神奇的一幕。在瀏覽器中，應該會出現“Hello, World!”這句話：

是不是很神奇？接下來，我們來分析背後的實現原理。

首先，我們來看你所輸入的網路地址。它的名字叫URL（統一資源定位符（Uniform Resource Locator）），其基本結構如下：

通過URL，你告訴了瀏覽器它所需要發現並連線的 Web 伺服器地址，以及獲取伺服器上的頁面路徑。不過在瀏覽器傳送HTTP請求之前，它首先要與目標 Web 伺服器建立TCP連線。然後，瀏覽器再通過TCP連線傳送HTTP請求至伺服器，並等待伺服器返回HTTP響應。當瀏覽器收到響應的時候，就會在頁面上顯示響應的內容，而在上面的例子中,瀏覽器顯示的就是“Hello, World!”這句話。

那麼，在客戶端傳送請求、伺服器返回響應之前，二者究竟是如何建立起TCP連線的呢？要建立起TCP連線，伺服器和客戶端都使用了所謂的套接字（socket）。接下來，我們不直接使用瀏覽器，而是在命令列使用telnet手動模擬瀏覽器。

在執行 Web 伺服器的同一臺電腦商，通過命令列開啟一次telnet會話，將需要連線的主機設定為localhost，主機的連線埠設定為8888，然後按Enter鍵：

$ telnet localhost 8888
Trying 127.0.0.1 …
Connected to localhost.

完成這些操作之後，你其實已經與本地執行的 Web 伺服器建立了TCP連線，隨時可以傳送和接收HTTP資訊。在下面這張圖片裡，展示的是伺服器接受新TCP連線所需要完成的標準流程。

在上面那個telnet會話中，我們輸入GET /hello HTTP/1.1，然後按下回車：

$ telnet localhost 8888
Trying 127.0.0.1 …
Connected to localhost.
GET /hello HTTP/1.1

HTTP/1.1 200 OK
Hello, World!

你成功地手動模擬了瀏覽器！你手動傳送了一條HTTP請求，然後收到了HTTP響應。下面這幅圖展示的是HTTP請求的基本結構：

HTTP請求行包括了HTTP方法（這裡使用的是GET方法，因為我們希望從伺服器獲取內容），伺服器頁面路徑（/hello）以及HTTP協議的版本。

為了儘量簡化，我們目前實現的 Web 伺服器並不會解析上面的請求，你完全可以輸入一些沒有任何意義的程式碼，也一樣可以收到”Hello, World!”響應。

在你輸入請求程式碼並按下Enter鍵之後，客戶端就將該請求傳送至伺服器了，伺服器則會解析你傳送的請求，並返回相應的HTTP響應。

下面這張圖顯示的是伺服器返回至客戶端的HTTP響應詳情：

我們來分析一下。響應中包含了狀態行HTTP/1.1 200 OK，之後是必須的空行，然後是HTTP響應的正文。

響應的狀態行HTTP/1.1 200 OK中，包含了HTTP版本、HTTP狀態碼以及與狀態碼相對應的原因短語（Reason Phrase）。瀏覽器收到響應之後，會顯示響應的正文，這就是為什麼你會在瀏覽器中看到“Hello, World!”這句話。

這就是 Web 伺服器基本的工作原理了。簡單回顧一下： Web 伺服器首先建立一個偵聽套接字（listening socket），並開啟一個永續迴圈接收新連線；客戶端啟動一個與伺服器的TCP連線，成功建立連線之後，向伺服器傳送HTTP請求，之後伺服器返回HTTP響應。要建立TCP連線，客戶端和伺服器都使用了套接字。

現在，你已經擁有了一個基本可用的簡易 Web 伺服器，你可以使用瀏覽器或其他HTTP客戶端進行測試。正如上文所展示的，通過telnet命令並手動輸入HTTP請求，你自己也可以成為一個HTTP客戶端。

下面給大家佈置一道思考題：如何在不對伺服器程式碼作任何修改的情況下，通過該伺服器執行Djando應用、Flask應用和Pyramid應用，同時滿足這些不同網路框架的要求？

答案將在《自己動手開發 Web 伺服器》系列文章的第二部分揭曉。