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Web基础

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今天我们访问网站,使用App时,都是基于Web这种Browser/Server模式,简称BS架构,它的特点是,客户端只需要浏览器,应用程序的逻辑和数据都存储在服务器端。浏览器只需要请求服务器,获取Web页面,并把Web页面展示给用户即可。

Web页面具有极强的交互性。由于Web页面是用HTML编写的,而HTML具备超强的表现力,并且,服务器端升级后,客户端无需任何部署就可以使用到新的版本,因此,BS架构升级非常容易。

HTTP协议

在Web应用中,浏览器请求一个URL,服务器就把生成的HTML网页发送给浏览器,而浏览器和服务器之间的传输协议是HTTP,所以:

  • HTML是一种用来定义网页的文本,会HTML,就可以编写网页;

  • HTTP是在网络上传输HTML的协议,用于浏览器和服务器的通信。

HTTP协议是一个基于TCP协议之上的请求-响应协议,它非常简单,我们先使用Chrome浏览器查看新浪首页,然后选择View - Developer - Inspect Elements就可以看到HTML:

html

切换到Network,重新加载页面,可以看到浏览器发出的每一个请求和响应:

http

使用Chrome浏览器可以方便地调试Web应用程序。

对于Browser来说,请求页面的流程如下:

  1. 与服务器建立TCP连接;
  2. 发送HTTP请求;
  3. 收取HTTP响应,然后把网页在浏览器中显示出来。

浏览器发送的HTTP请求如下:

GET / HTTP/1.1
Host: www.sina.com.cn
User-Agent: Mozilla/5.0 xxx
Accept: */*
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9,en-US;q=0.8

其中,第一行表示使用GET请求获取路径为/的资源,并使用HTTP/1.1协议,从第二行开始,每行都是以Header: Value形式表示的HTTP头,比较常用的HTTP Header包括:

  • Host: 表示请求的主机名,因为一个服务器上可能运行着多个网站,因此,Host表示浏览器正在请求的域名;
  • User-Agent: 标识客户端本身,例如Chrome浏览器的标识类似Mozilla/5.0 ... Chrome/79,IE浏览器的标识类似Mozilla/5.0 (Windows NT ...) like Gecko
  • Accept:表示浏览器能接收的资源类型,如text/*image/*或者*/*表示所有;
  • Accept-Language:表示浏览器偏好的语言,服务器可以据此返回不同语言的网页;
  • Accept-Encoding:表示浏览器可以支持的压缩类型,例如gzip, deflate, br

服务器的响应如下:

HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: text/html
Content-Length: 21932
Content-Encoding: gzip
Cache-Control: max-age=300

<html>...网页数据...

服务器响应的第一行总是版本号+空格+数字+空格+文本,数字表示响应代码,其中2xx表示成功,3xx表示重定向,4xx表示客户端引发的错误,5xx表示服务器端引发的错误。数字是给程序识别,文本则是给开发者调试使用的。常见的响应代码有:

  • 200 OK:表示成功;
  • 301 Moved Permanently:表示该URL已经永久重定向;
  • 302 Found:表示该URL需要临时重定向;
  • 304 Not Modified:表示该资源没有修改,客户端可以使用本地缓存的版本;
  • 400 Bad Request:表示客户端发送了一个错误的请求,例如参数无效;
  • 401 Unauthorized:表示客户端因为身份未验证而不允许访问该URL;
  • 403 Forbidden:表示服务器因为权限问题拒绝了客户端的请求;
  • 404 Not Found:表示客户端请求了一个不存在的资源;
  • 500 Internal Server Error:表示服务器处理时内部出错,例如因为无法连接数据库;
  • 503 Service Unavailable:表示服务器此刻暂时无法处理请求。

从第二行开始,服务器每一行均返回一个HTTP头。服务器经常返回的HTTP Header包括:

  • Content-Type:表示该响应内容的类型,例如text/htmlimage/jpeg
  • Content-Length:表示该响应内容的长度(字节数);
  • Content-Encoding:表示该响应压缩算法,例如gzip
  • Cache-Control:指示客户端应如何缓存,例如max-age=300表示可以最多缓存300秒。

HTTP请求和响应都由HTTP Header和HTTP Body构成,其中HTTP Header每行都以\r\n结束。如果遇到两个连续的\r\n,那么后面就是HTTP Body。浏览器读取HTTP Body,并根据Header信息中指示的Content-TypeContent-Encoding等解压后显示网页、图像或其他内容。

通常浏览器获取的第一个资源是HTML网页,在网页中,如果嵌入了JavaScript、CSS、图片、视频等其他资源,浏览器会根据资源的URL再次向服务器请求对应的资源。

关于HTTP协议的详细内容,请参考HTTP权威指南一书,或者Mozilla开发者网站

我们在前面介绍的HTTP编程是以客户端的身份去请求服务器资源。现在,我们需要以服务器的身份响应客户端请求,编写服务器程序来处理客户端请求通常就称之为Web开发。

编写HTTP Server

我们来看一下如何编写HTTP Server。一个HTTP Server本质上是一个TCP服务器,我们先用TCP编程的多线程实现的服务器端框架:

public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss = new ServerSocket(8080); // 监听指定端口
        System.out.println("server is running...");
        for (;;) {
            Socket sock = ss.accept();
            System.out.println("connected from " + sock.getRemoteSocketAddress());
            Thread t = new Handler(sock);
            t.start();
        }
    }
}

class Handler extends Thread {
    Socket sock;

    public Handler(Socket sock) {
        this.sock = sock;
    }

    public void run() {
        try (InputStream input = this.sock.getInputStream()) {
            try (OutputStream output = this.sock.getOutputStream()) {
                handle(input, output);
            }
        } catch (Exception e) {
            try {
                this.sock.close();
            } catch (IOException ioe) {
            }
            System.out.println("client disconnected.");
        }
    }

    private void handle(InputStream input, OutputStream output) throws IOException {
        var reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input, StandardCharsets.UTF_8));
        var writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(output, StandardCharsets.UTF_8));
        // TODO: 处理HTTP请求
    }
}

只需要在handle()方法中,用Reader读取HTTP请求,用Writer发送HTTP响应,即可实现一个最简单的HTTP服务器。编写代码如下:

private void handle(InputStream input, OutputStream output) throws IOException {
    System.out.println("Process new http request...");
    var reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input, StandardCharsets.UTF_8));
    var writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(output, StandardCharsets.UTF_8));
    // 读取HTTP请求:
    boolean requestOk = false;
    String first = reader.readLine();
    if (first.startsWith("GET / HTTP/1.")) {
        requestOk = true;
    }
    for (;;) {
        String header = reader.readLine();
        if (header.isEmpty()) { // 读取到空行时, HTTP Header读取完毕
            break;
        }
        System.out.println(header);
    }
    System.out.println(requestOk ? "Response OK" : "Response Error");
    if (!requestOk) {
        // 发送错误响应:
        writer.write("404 Not Found\r\n");
        writer.write("Content-Length: 0\r\n");
        writer.write("\r\n");
        writer.flush();
    } else {
        // 发送成功响应:
        String data = "<html><body><h1>Hello, world!</h1></body></html>";
        int length = data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length;
        writer.write("HTTP/1.0 200 OK\r\n");
        writer.write("Connection: close\r\n");
        writer.write("Content-Type: text/html\r\n");
        writer.write("Content-Length: " + length + "\r\n");
        writer.write("\r\n"); // 空行标识Header和Body的分隔
        writer.write(data);
        writer.flush();
    }
}

这里的核心代码是,先读取HTTP请求,这里我们只处理GET /的请求。当读取到空行时,表示已读到连续两个\r\n,说明请求结束,可以发送响应。发送响应的时候,首先发送响应代码HTTP/1.0 200 OK表示一个成功的200响应,使用HTTP/1.0协议,然后,依次发送Header,发送完Header后,再发送一个空行标识Header结束,紧接着发送HTTP Body,在浏览器输入http://local.liaoxuefeng.com:8080/就可以看到响应页面:

httpserver

HTTP目前有多个版本,1.0是早期版本,浏览器每次建立TCP连接后,只发送一个HTTP请求并接收一个HTTP响应,然后就关闭TCP连接。由于创建TCP连接本身就需要消耗一定的时间,因此,HTTP 1.1允许浏览器和服务器在同一个TCP连接上反复发送、接收多个HTTP请求和响应,这样就大大提高了传输效率。

我们注意到HTTP协议是一个请求-响应协议,它总是发送一个请求,然后接收一个响应。能不能一次性发送多个请求,然后再接收多个响应呢?HTTP 2.0可以支持浏览器同时发出多个请求,但每个请求需要唯一标识,服务器可以不按请求的顺序返回多个响应,由浏览器自己把收到的响应和请求对应起来。可见,HTTP 2.0进一步提高了传输效率,因为浏览器发出一个请求后,不必等待响应,就可以继续发下一个请求。

HTTP 3.0为了进一步提高速度,将抛弃TCP协议,改为使用无需创建连接的UDP协议,目前HTTP 3.0仍然处于实验阶段。

练习

编写一个简单的HTTP服务器

小结

使用B/S架构时,总是通过HTTP协议实现通信;

Web开发通常是指开发服务器端的Web应用程序。


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