Tornado HTTP 服务器的基本流程

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2023-12-01

本小节介绍Tornado HTTP服务器的基本流程，分别分析httpserver, ioloop, iostream模块的代码来剖析Tornado底层I/O的内部实现。

httpserver.py中给出了一个简单的http服务器的demo，代码如下所示：

from tornado import httpserver
from tornado import ioloop
 
def handle_request(request):
   message = "You requested %s\n" % request.uri
   request.write("HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: %d\r\n\r\n%s" % (
                 len(message), message))
   request.finish()
 
http_server = httpserver.HTTPServer(handle_request)
http_server.bind(8888)
http_server.start()
ioloop.IOLoop.instance().start()

该http服务器主要使用到IOLoop, IOStream, HTTPServer, HTTPConnection几大模块，分别在代码ioloop.py, iostream.py, httpserver.py中实现。工作的流程如下图所示：

服务器的工作流程：首先按照socket->bind->listen顺序创建listen socket监听客户端，并将每个listen socket的fd注册到IOLoop的单例实例中；当listen socket可读时回调_handle_events处理客户端请求；在与客户端通信的过程中使用IOStream封装了读、写缓冲区，实现与客户端的异步读写。

HTTPServer分析

HTTPServer在httpserver.py中实现，继承自TCPServer（netutil.py中实现），是一个无阻塞、单线程HTTP服务器。支持HTTP/1.1协议keep-alive连接，但不支持chunked encoding。服务器支持'X-Real-IP'和'X-Scheme'头以及SSL传输，支持多进程为prefork模式实现。在源代码的注释中对以上描述比较详细的说明，这里就不再细说。

HTTPServer和TCPServer的类结构：

class HTTPServer(TCPServer):
    def __init__(self, request_callback, no_keep_alive=False, io_loop=None, xheaders=False, ssl_options=None, **kwargs): 
    def handle_stream(self, stream, address):

class TCPServer(object):
    def __init__(self, io_loop=None, ssl_options=None): 
    def listen(self, port, address=""): 
    def add_sockets(self, sockets): 
    def bind(self, port, address=None, family=socket.AF_UNSPEC, backlog=128): 
    def start(self, num_processes=1): 
    def stop(self): 
    def handle_stream(self, stream, address): 
    def _handle_connection(self, connection, address):

文章开始部分创建HTTPServer的过程：首先需要定义处理request的回调函数，在tornado中通常使用tornado.web.Application封装。然后构造HTTPServer实例，注册回调函数。接下来监听端口，启动服务器。最后启动IOLoop。

def listen(self, port, address=""):
    sockets = bind_sockets(port, address=address)
    self.add_sockets(sockets)

def bind_sockets(port, address=None, family=socket.AF_UNSPEC, backlog=128):
    # 省略sockets创建，address，flags处理部分代码
    for res in set(socket.getaddrinfo(address, port, family, socket.SOCK_STREAM,
                                  0, flags)):
        af, socktype, proto, canonname, sockaddr = res
        # 创建socket
        sock = socket.socket(af, socktype, proto)
        # 设置socket属性，代码省略
        
        sock.bind(sockaddr)
        sock.listen(backlog)
        sockets.append(sock)
    return sockets

def add_sockets(self, sockets):
    if self.io_loop is None:
        self.io_loop = IOLoop.instance()

    for sock in sockets:
        self._sockets[sock.fileno()] = sock
        add_accept_handler(sock, self._handle_connection,
                           io_loop=self.io_loop)
                           
def add_accept_handler(sock, callback, io_loop=None):
    if io_loop is None:
        io_loop = IOLoop.instance()

    def accept_handler(fd, events):
        while True:
            try:
                connection, address = sock.accept()
            except socket.error, e:
                if e.args[0] in (errno.EWOULDBLOCK, errno.EAGAIN):
                    return
                raise
            # 当有连接被accepted时callback会被调用
            callback(connection, address)
    io_loop.add_handler(sock.fileno(), accept_handler, IOLoop.READ)
    
def _handle_connection(self, connection, address):
    # SSL部分省略
    try:
        stream = IOStream(connection, io_loop=self.io_loop)
        self.handle_stream(stream, address)
    except Exception:
        logging.error("Error in connection callback", exc_info=True)

这里分析HTTPServer通过listen函数启动监听，这种方法是单进程模式。另外可以通过先后调用bind和start(num_processes=1)函数启动监听同时创建多进程服务器实例，后文有关于此的详细描述。

bind_sockets在启动监听端口过程中调用，getaddrinfo返回服务器的所有网卡信息, 每块网卡上都要创建监听客户端的请求并返回创建的sockets。创建socket过程中绑定地址和端口，同时设置了fcntl.FD_CLOEXEC（创建子进程时关闭打开的socket）和socket.SO_REUSEADDR（保证某一socket关闭后立即释放端口，实现端口复用）标志位。sock.listen(backlog=128)默认设定等待被处理的连接最大个数为128。

返回的每一个socket都加入到IOLoop中同时添加回调函数_handle_connection，IOLoop添加对相应socket的IOLoop.READ事件监听。_handle_connection在接受客户端的连接处理结束之后会被调用，调用时传入连接和ioloop对象初始化IOStream对象，用于对客户端的异步读写；然后调用handle_stream，传入创建的IOStream对象初始化一个HTTPConnection对象，HTTPConnection封装了IOStream的一些操作，用于处理HTTPRequest并返回。至此HTTP Server的创建、启动、注册回调函数的过程分析结束。

HTTPConnection分析

该类用于处理http请求。在HTTPConnection初始化时对self.request_callback赋值为一个可调用的对象（该对象用于对http请求的具体处理和应答）。该类首先读取http请求中header的结束符b("\r\n\r\n")，然后回调self._on_headers函数。request_callback的相关实现在以后的系列中有详细介绍。

def __init__(self, stream, address, request_callback, no_keep_alive=False,
                 xheaders=False):
    self.request_callback = request_callback
    # some configuration code
    self._header_callback = stack_context.wrap(self._on_headers)
    self.stream.read_until(b("\r\n\r\n"), self._header_callback)

def _on_headers(self, data):
    # some codes
    self.request_callback(self._request)

多进程HTTPServer

Tornado的HTTPServer是单进程单线程模式，同时提供了创建多进程服务器的接口，具体实现是在主进程启动HTTPServer时通过process.fork_processes(num_processes)产生新的服务器子进程，所有进程之间共享端口。fork_process的方法在process.py中实现，十分简洁。对fork_process详细的分析，可以参考番外篇：Tornado的多进程管理分析。

FriendFeed使用nginx提供负载均衡、反向代理服务并作为静态文件服务器，在后端服务器上可以部署多个Tornado实例。一般可以通过Supervisor控制Tornado app，然后再通过nginx对Tornado的输出进行反向代理。具体可以参考下这篇文章： Supervisord进程管理工具的安装使用。