自己动手开发一个 Web 服务器（一）

有一天，一位女士散步时经过一个工地，看见有三个工人在干活。她问第一个人，“你在做什么？”第一个人有点不高兴，吼道“难道你看不出来我在砌砖吗？”女士对这个答案并不满意，接着问第二个人他在做什么。第二个人回答道，“我正在建造一堵砖墙。”然后，他转向第一个人，说道：“嘿，你砌的砖已经超过墙高了。你得把最后一块砖拿下来。”女士对这个答案还是不满意，她接着问第三个人他在做什么。第三个人抬头看着天空，对她说：“我在建造这个世界上有史以来最大的教堂”。就在他望着天空出神的时候，另外两个人已经开始争吵多出的那块砖。他慢慢转向前两个人，说道：“兄弟们，别管那块砖了。这是一堵内墙,之后还会被刷上石灰的，没人会注意到这块砖。接着砌下层吧。”

这个故事的寓意在于，当你掌握了整个系统的设计，明白不同的组件是以何种方式组合在一起的（砖块，墙，教堂）时候，你就能够更快地发现并解决问题（多出的砖块）。

但是，这个故事与从头开发一个 Web 服务器有什么关系呢？

在我看来，要成为一名更优秀的程序员，你必须更好地理解自己日常使用的软件系统，而这就包括了编程语言、编译器、解释器、数据库与操作系统、 Web 服务器和网络开发框架。而要想更好、更深刻地理解这些系统，你必须从头重新开发这些系统，一步一个脚印地重来一遍。

孔子曰：不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之。

不闻不若闻之

闻之不若见之

见之不若知之，知之不若行之。

译者注：上面原作者所引用的那段话在国外的翻译是：I hear and I forget, I see and I remember, I do and I understand。外国人普遍认为出自孔子，但在查找这句英文的出处时，查到有篇博文称这句话的中文实际出自荀子的《儒效篇》，经查确实如此。

我希望你读到这里的时候，已经认可了通过重新开发不同软件系统来学习其原理这种方式。

《自己动手开发 Web 服务器》会分为三个部分，将介绍如何从头开发一个简易 Web 服务器。我们这就开始吧。

首先，到底什么是 Web 服务器？

简而言之，它是在物理服务器上搭建的一个网络连接服务器（networking server），永久地等待客户端发送请求。当服务器收到请求之后，它会生成响应并将其返回至客户端。客户端与服务器之间的通信，是以HTTP协议进行的。客户端可以是浏览器，也可以是任何支持HTTP协议的软件。

那么， Web 服务器的简单实现形式会是怎样的呢？下面是我对此的理解。示例代码使用Python语言实现，不过即使你不懂Python语言，你应该也可以从代码和下面的解释中理解相关的概念：

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()

将上面的代码保存为webserver1.py，或者直接从我的Github仓库下载，然后通过命令行运行该文件：

$ python webserver1.py
Serving HTTP on port 8888 …

接下来，在浏览器的地址栏输入这个链接：http://localhost:8888/hello，然后按下回车键，你就会看见神奇的一幕。在浏览器中，应该会出现“Hello, World!”这句话：

是不是很神奇？接下来，我们来分析背后的实现原理。

首先，我们来看你所输入的网络地址。它的名字叫URL（统一资源定位符（Uniform Resource Locator）），其基本结构如下：

通过URL，你告诉了浏览器它所需要发现并连接的 Web 服务器地址，以及获取服务器上的页面路径。不过在浏览器发送HTTP请求之前，它首先要与目标 Web 服务器建立TCP连接。然后，浏览器再通过TCP连接发送HTTP请求至服务器，并等待服务器返回HTTP响应。当浏览器收到响应的时候，就会在页面上显示响应的内容，而在上面的例子中,浏览器显示的就是“Hello, World!”这句话。

那么，在客户端发送请求、服务器返回响应之前，二者究竟是如何建立起TCP连接的呢？要建立起TCP连接，服务器和客户端都使用了所谓的套接字（socket）。接下来，我们不直接使用浏览器，而是在命令行使用telnet手动模拟浏览器。

在运行 Web 服务器的同一台电脑商，通过命令行开启一次telnet会话，将需要连接的主机设置为localhost，主机的连接端口设置为8888，然后按回车键：

$ telnet localhost 8888
Trying 127.0.0.1 …
Connected to localhost.

完成这些操作之后，你其实已经与本地运行的 Web 服务器建立了TCP连接，随时可以发送和接收HTTP信息。在下面这张图片里，展示的是服务器接受新TCP连接所需要完成的标准流程。

在上面那个telnet会话中，我们输入GET /hello HTTP/1.1，然后按下回车：

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

HTTP/1.1 200 OK
Hello, World!

你成功地手动模拟了浏览器！你手动发送了一条HTTP请求，然后收到了HTTP响应。下面这幅图展示的是HTTP请求的基本结构：

HTTP请求行包括了HTTP方法（这里使用的是GET方法，因为我们希望从服务器获取内容），服务器页面路径（/hello）以及HTTP协议的版本。

为了尽量简化，我们目前实现的 Web 服务器并不会解析上面的请求，你完全可以输入一些没有任何意义的代码，也一样可以收到”Hello, World!”响应。

在你输入请求代码并按下回车键之后，客户端就将该请求发送至服务器了，服务器则会解析你发送的请求，并返回相应的HTTP响应。

下面这张图显示的是服务器返回至客户端的HTTP响应详情：

我们来分析一下。响应中包含了状态行HTTP/1.1 200 OK，之后是必须的空行，然后是HTTP响应的正文。

响应的状态行HTTP/1.1 200 OK中，包含了HTTP版本、HTTP状态码以及与状态码相对应的原因短语（Reason Phrase）。浏览器收到响应之后，会显示响应的正文，这就是为什么你会在浏览器中看到“Hello, World!”这句话。

这就是 Web 服务器基本的工作原理了。简单回顾一下： Web 服务器首先创建一个侦听套接字（listening socket），并开启一个永续循环接收新连接；客户端启动一个与服务器的TCP连接，成功建立连接之后，向服务器发送HTTP请求，之后服务器返回HTTP响应。要建立TCP连接，客户端和服务器都使用了套接字。

现在，你已经拥有了一个基本可用的简易 Web 服务器，你可以使用浏览器或其他HTTP客户端进行测试。正如上文所展示的，通过telnet命令并手动输入HTTP请求，你自己也可以成为一个HTTP客户端。

下面给大家布置一道思考题：如何在不对服务器代码作任何修改的情况下，通过该服务器运行Djando应用、Flask应用和Pyramid应用，同时满足这些不同网络框架的要求？

答案将在《自己动手开发 Web 服务器》系列文章的第二部分揭晓。