快速掌握Go 语言 HTTP 标准库的实现方法

来源：jb51　　时间：2022/7/25 19:16:09　　对本文有异议

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：

调用 Transport 的 getConn 方法获取连接；
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：

调用 queueForIdleConn 获取空闲 connection；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：

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；
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；
返回；

获取不到空闲 connection：

当获取不到空闲 connection 时：

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；
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：

在调用 queueForDial 方法的时候会校验 MaxConnsPerHost 是否未设置或已达上限；
检验不通过则将当前的请求放入到 connsPerHostWait 等待字典中；
如果校验通过那么会异步的调用 dialConnFor 方法创建连接；

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：

注册处理器到一个 hash 表中，可以通过键值路由匹配；
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；
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。