从零构建简易 Web 服务器：理解 Tomcat 工作原理的实践指南
作为后端开发人员，Web 服务器是日常工作中高频使用的工具，而 Tomcat 作为主流的 Web 服务器框架，其内部机制值得深入探究。本文将从 HTTP 协议基础出发，通过亲手构建一个简易 Web 服务器，帮助理解 Web 服务器的核心工作原理，为掌握 Tomcat 打下基础（参考自《How Tomcat Works》一书）。
一、Web 服务器的核心基础：HTTP 协议与 Socket 通信
1. HTTP 协议：请求与响应的规范
HTTP（超文本传输协议）是 Web 服务器与浏览器之间的数据传输规范，基于 TCP 协议实现请求 / 响应模式，由客户端主动发起请求，服务器处理后返回响应。其版本已从 0.9 演进至 2.x，功能不断丰富。
（1）HTTP 请求结构
一个完整的 HTTP 请求包含三部分：
示例请求：
plaintext
POST /api/gateway/test HTTP/1.1
Accept: application/json
Content-Type: application/json; charset=UTF-8
Host: note.clubsea.cn
Content-Length: 64
{"id":1,"name":"test"} // 请求主体（与头部以空行分隔）（2）HTTP 响应结构
响应与请求对应，同样包含三部分：
示例响应：
plaintext
HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: application/json
Server: nginx
Content-Length: 30
{"code":0,"message":"success"} // 响应主体（与头部以空行分隔）2. Socket：网络通信的端点
Socket（套接字）是网络中不同进程间通信的端点，客户端与服务器通过 Socket 建立连接并传输数据。在 Java 中，java.net.Socket代表客户端套接字，java.net.ServerSocket代表服务器套接字。
（1）客户端 Socket 示例
通过 Socket 向服务器发送 HTTP 请求：
java
运行
import java.io.*;import java.net.Socket;public class SocketClientExample {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 连接本地8080端口的服务器
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8080);
// 获取输出流发送请求
PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
out.println("GET /index.html HTTP/1.1");
out.println("Host: localhost:8080");
out.println("Connection: Close");
out.println(); // 空行表示请求头部结束
// 获取输入流接收响应
BufferedReader in = new BufferedReader(
new InputStreamReader(socket.getInputStream())
);
String line;
while ((line = in.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
// 关闭资源
in.close();
out.close();
socket.close();
}}（2）服务器端 ServerSocket 示例
服务器通过 ServerSocket 监听端口，接收客户端连接并处理：
java
运行
import java.io.*;import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;public class ServerSocketExample {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 绑定8080端口，监听客户端连接
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080, 1,
InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
System.out.println("服务器启动，监听8080端口...");
// 阻塞等待客户端连接
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
System.out.println("客户端已连接");
// 读取客户端请求
BufferedReader in = new BufferedReader(
new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream())
);
String requestLine;
while ((requestLine = in.readLine()) != null && !requestLine.isEmpty()) {
System.out.println("收到请求：" + requestLine);
}
// 发送响应
PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
out.println("HTTP/1.1 200 OK");
out.println("Content-Type: text/plain");
out.println("Connection: Close");
out.println();
out.println("Hello, Client!");
// 关闭资源
in.close();
out.close();
clientSocket.close();
serverSocket.close();
}}二、动手实现简易 Web 服务器
一个基础的 Web 服务器需具备以下功能：监听端口、接收客户端连接、解析 HTTP 请求、处理请求（如返回静态资源）、发送 HTTP 响应。我们将通过三个核心类实现这一流程：HttpServer（服务器主类）、Request（请求解析）、Response（响应处理）。
1. 服务器主类：HttpServer
负责启动服务器、监听端口、循环处理客户端连接。
java
运行
import java.io.*;import java.net.*;public class HttpServer {
// 静态资源存放目录（当前工作目录下的webroot文件夹）
public static final String WEB_ROOT =
System.getProperty("user.dir") + File.separator + "webroot";
// 关闭服务器的命令URI
private static final String SHUTDOWN_COMMAND = "/SHUTDOWN";
// 标记是否需要关闭服务器
private boolean shutdown = false;
public static void main(String[] args) {
HttpServer server = new HttpServer();
server.await(); // 启动服务器并等待请求
}
/**
* 监听端口，循环处理客户端连接
*/
public void await() {
ServerSocket serverSocket = null;
int port = 8080; // 监听端口
try {
// 绑定端口和本地IP
serverSocket = new ServerSocket(port, 1,
InetAddress.getByName("127.0.0.1"));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.exit(1); // 启动失败则退出
}
// 循环处理请求，直到收到关闭命令
while (!shutdown) {
Socket socket = null;
InputStream input = null;
OutputStream output = null;
try {
// 等待客户端连接（阻塞方法）
socket = serverSocket.accept();
input = socket.getInputStream();
output = socket.getOutputStream();
// 解析请求
Request request = new Request(input);
request.parse();
// 处理响应
Response response = new Response(output);
response.setRequest(request);
response.sendStaticResource(); // 发送静态资源
// 关闭连接
socket.close();
// 检查是否为关闭命令
shutdown = request.getUri().equals(SHUTDOWN_COMMAND);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
continue;
}
}
// 关闭服务器
try {
serverSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}}2. 请求解析类：Request
负责从输入流中读取 HTTP 请求数据，并解析出 URI。
java
运行
import java.io.*;public class Request {
private InputStream input; // 客户端输入流
private String uri; // 解析出的URI
public Request(InputStream input) {
this.input = input;
}
/**
* 解析HTTP请求，提取URI
*/
public void parse() {
// 读取请求数据
StringBuffer requestBuffer = new StringBuffer(2048);
byte[] buffer = new byte[2048];
int bytesRead;
try {
bytesRead = input.read(buffer);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
bytesRead = -1;
}
// 将字节转换为字符串
for (int i = 0; i < bytesRead; i++) {
requestBuffer.append((char) buffer[i]);
}
System.out.println("请求内容：\n" + requestBuffer.toString());
// 解析URI
uri = parseUri(requestBuffer.toString());
}
/**
* 从请求字符串中提取URI（格式：方法 URI 协议版本）
*/
private String parseUri(String requestString) {
int index1 = requestString.indexOf(' '); // 第一个空格（方法结束）
int index2 = requestString.indexOf(' ', index1 + 1); // 第二个空格（URI结束）
if (index1 != -1 && index2 > index1) {
return requestString.substring(index1 + 1, index2);
}
return null;
}
public String getUri() {
return uri;
}}3. 响应处理类：Response
负责根据请求的 URI 查找静态资源，并向客户端发送 HTTP 响应（包括文件内容或错误信息）。
java
运行
import java.io.*;public class Response {
private static final int BUFFER_SIZE = 1024; // 缓冲区大小
private Request request; // 关联的请求对象
private OutputStream output; // 客户端输出流
public Response(OutputStream output) {
this.output = output;
}
public void setRequest(Request request) {
this.request = request;
}
/**
* 发送静态资源（如HTML、CSS文件）
*/
public void sendStaticResource() throws IOException {
byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];
FileInputStream fis = null;
try {
// 构建请求URI对应的文件路径
File file = new File(HttpServer.WEB_ROOT, request.getUri());
if (file.exists()) {
// 文件存在：读取并发送内容
fis = new FileInputStream(file);
int bytesRead = fis.read(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
while (bytesRead != -1) {
output.write(buffer, 0, bytesRead);
bytesRead = fis.read(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
}
} else {
// 文件不存在：发送404错误
String errorMessage = "HTTP/1.1 404 File Not Found\r\n" +
"Content-Type: text/html\r\n" +
"Content-Length: 23\r\n" +
"\r
