C#开发轻量级 高性能HTTP服务器

Posted 2021-04-14 DotNet

（给DotNet加星标，提升.Net技能）

转自：源之缘

cnblogs.com/yuanchenhui/p/httpserver.html

前言 

http协议是互联网上使用最广泛的通讯协议了。Web通讯也是基于http协议;对应c#开发者来说ASP.NET Core是最新的开发Web应用平台。

由于最近要开发一套人脸识别系统，对通讯效率的要求很高。虽然.NET Core对http处理很优化了，但是我决定开发一个轻量级http服务器；不求功能多强大，只求能满足需求，性能优越。本文以c#开发windows下http服务器为例。

经过多年的完善、优化，我积累了一个非常高效的网络库以此库为基础，开发一套轻量级的http服务器难度并不大。花了两天的时间完成http服务器开发，并做了测试。

同时与ASP.NET Core处理效率做了对比，结果出乎意料。我的服务器性能是ASP.NET Core的10倍。对于此结果一开始我也是不相信，经过多次反复测试，事实却是如此。此结果并不能说明我写的服务器优于ASP.NET Core，只是说明一个道理：合适的就是最好，高大上的东西并不是最好的。

1、HTTP协议特点

HTTP协议是基于TCP/IP之上的文本交换协议。对于开发者而言，也属于socket通讯处理范畴。只是http协议是请求应答模式，一次请求处理完成，则立即断开。http这种特点对sokcet通讯提出几个要求：

a)、能迅速接受TCP连接请求。TCP是面向连接的，在建立连接时，需要三次握手。这就要求socket处理accept事件要迅速，要能短时间处理大量连接请求。

b)、服务端必须采用异步通讯模式。对windows而言，底层通讯就要采取IOCP，这样才能应付成千上万的socket请求。

c)、快速的处理读取数据。tcp是流传输协议，而http传输的是文本协议；客户端向服务端发送的数据，服务端可能需要读取多次，服务端需要快速判断数据是否读取完毕。

以上几点只是处理http必须要考虑的问题，如果需要进一步优化，必须根据自身的业务特点来处理。

2、快速接受客户端的连接请求

采用异步Accept接受客户端请求。这样的好处是：可以同时投递多个连接请求。当有大量客户端请求时，能快速建立连接。

异步连接请求代码如下：

public bool StartAccept()
{
    SocketAsyncEventArgs acceptEventArgs = new SocketAsyncEventArgs();
    acceptEventArgs.Completed += AcceptEventArg_Completed;
    bool willRaiseEvent = listenSocket.AcceptAsync(acceptEventArgs);
    Interlocked.Increment(ref _acceptAsyncCount);
    if (!willRaiseEvent)
    {
        Interlocked.Decrement(ref _acceptAsyncCount);
        _acceptEvent.Set();
        acceptEventArgs.Completed -= AcceptEventArg_Completed;
        ProcessAccept(acceptEventArgs);
    }
    return true;
}

可以设置同时投递的个数，比如此值为10。当异步连接投递个数小于10时，立马再次增加投递。有一个线程专门负责投递。

_acceptAsyncCount记录当前正在投递的个数，MaxAcceptInPool表示同时投递的个数；一旦_acceptAsyncCount小于MaxAcceptInPool，立即增加一次投递。

private void DealNewAccept()
{
    try
    {
        if (_acceptAsyncCount <= MaxAcceptInPool)
        {
            StartAccept();
        }          
    }
    catch (Exception ex)
    {
        _log.LogException(0, "DealNewAccept 异常", ex);
    }
}

3、快速分析从客户端收到的数据

比如客户端发送1M数据到服务端，服务端收到1M数据，需要读取的次数是不确定的。怎么样才能知道数据是否读取完？

这个细节处理不好，会严重影响服务器的性能。毕竟服务器要对大量这样的数据进行分析。

http包头举例

POST / HTTP/1.1
Accept: */*
Content-Type: application/x-www-from-urlencoded
Host: www.163.com
Content-Length: 7
Connection: Keep-Alive
body

分析读取数据，常规、直观的处理方式如下：

1) 、将收到的多个buffer合并成一个buffer。如果读取10次才完成，则需要合并9次。

2) 、将buffer数据转成文本。

3) 、找到文本中的http包头结束标识(" ") 。

4) 、找到Content-Length，根据此值判断是否接收完成。

采用上述处理方法，将严重影响处理性能。必须另辟蹊径，采用更优化的处理方法。

优化后的处理思路

1、多缓冲处理

基本思路是：收到所有的buffer之前，不进行buffer合并。将缓冲存放在List<byte[]> listBuffer中。通过遍历listBuffer来查找http包头结束标识，来判断是否接收完成。

类BufferManage负责管理buffer。

public class BufferManage
{
    List<byte[]> _listBuffer = new List<byte[]>();
    public void AddBuffer(byte[] buffer)
 {
        _listBuffer.Add(buffer);
    }
    public bool FindBuffer(byte[] destBuffer, out int index)
 {
        index = -1;
        int flagIndex = 0;
        int count = 0;
        foreach (byte[] buffer in _listBuffer)
        {
            foreach (byte ch in buffer)
            {
                count++;
                if (ch == destBuffer[flagIndex])
                {
                    flagIndex++;
                }
                else
                {
                    flagIndex = 0;
                }

                if (flagIndex >= destBuffer.Length)
                {
                    index = count;
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }
    public int TotalByteLength
    {
        get
        {
            int count = 0;
            foreach (byte[] item in _listBuffer)
            {
                count += item.Length;
            }
            return count;
        }
    }

    public byte[] GetAllByte()
 {
        if (_listBuffer.Count == 0)
            return new byte[0];
        if (_listBuffer.Count == 1)
            return _listBuffer[0];

        int byteLen = 0;
        _listBuffer.ForEach(o => byteLen += o.Length);
        byte[] result = new byte[byteLen];

        int index = 0;
        foreach (byte[] item in _listBuffer)
        {
            Buffer.BlockCopy(item, 0, result, index, item.Length);
            index += item.Length;
        }
        return result;
    }
    public byte[] GetSubBuffer(int start, int countTotal)
 {
        if (countTotal == 0)
            return new byte[0];
        byte[] result = new byte[countTotal];
        int countCopyed = 0;
        int indexOfBufferPool = 0;
        foreach (byte[] buffer in _listBuffer)
        {
            //找到起始复制点
            int indexOfItem = 0;
            if (indexOfBufferPool < start)
            {
                int left = start - indexOfBufferPool;
                if (buffer.Length <= left)
                {
                    indexOfBufferPool += buffer.Length;
                    continue;
                }
                else
                {
                    indexOfItem = left;
                    indexOfBufferPool = start;
                }
            }

            //复制数据
            int dataLeft = buffer.Length - indexOfItem;
            int dataNeed = countTotal - countCopyed;
            if (dataNeed >= dataLeft)
            {
                Buffer.BlockCopy(buffer, indexOfItem, result, countCopyed, dataLeft);
                countCopyed += dataLeft;
            }
            else
            {
                Buffer.BlockCopy(buffer, indexOfItem, result, countCopyed, dataNeed);
                countCopyed += dataNeed;
            }
            if (countCopyed >= countTotal)
            {
                Debug.Assert(countCopyed == countTotal);
                return result;
            }
        }
        throw new Exception("没有足够的数据！");
        // return result;
    }
}

类HttpReadParse借助BufferManage类，实现对http文本的解析。

public class HttpReadParse
{
    BufferManage _bufferManage = new BufferManage();
    public void AddBuffer(byte[] buffer)
 {
        _bufferManage.AddBuffer(buffer);
    }
    public int HeaderByteCount { get; private set; } = -1;
    string _httpHeaderText = string.Empty;
    public string HttpHeaderText
    {
        get
        {
            if (_httpHeaderText != string.Empty)
                return _httpHeaderText;

            if (!IsHttpHeadOver)
                return _httpHeaderText;

            byte[] buffer = _bufferManage.GetSubBuffer(0, HeaderByteCount);
            _httpHeaderText = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
            return _httpHeaderText;
        }
    }
    string _httpHeaderFirstLine = string.Empty;
    public string HttpHeaderFirstLine
    {
        get
        {
            if (_httpHeaderFirstLine != string.Empty)
                return _httpHeaderFirstLine;

            if (HttpHeaderText == string.Empty)
                return string.Empty;
            int index = HttpHeaderText.IndexOf(HttpConst.Flag_Return);
            if (index < 0)
                return string.Empty;

            _httpHeaderFirstLine = HttpHeaderText.Substring(0, index);
            return _httpHeaderFirstLine;
        }
    }

    public string HttpRequestUrl
    {
        get
        {
            if (HttpHeaderFirstLine == string.Empty)
                return string.Empty;

            string[] items = HttpHeaderFirstLine.Split(' ');
            if (items.Length < 2)
                return string.Empty;

            return items[1];
        }
    }
    public bool IsHttpHeadOver
    {
        get
        {
            if (HeaderByteCount > 0)
                return true;
            byte[] headOverFlag = HttpConst.Flag_DoubleReturnByte;

            if (_bufferManage.FindBuffer(headOverFlag, out int count))
            {
                HeaderByteCount = count;
                return true;
            }
            return false;
        }
    }
    int _httpContentLen = -1;
    public int HttpContentLen
    {
        get
        {
            if (_httpContentLen >= 0)
                return _httpContentLen;
            if (HttpHeaderText == string.Empty)
                return -1;
            int start = HttpHeaderText.IndexOf(HttpConst.Flag_HttpContentLenth);
            if (start < 0) //http请求没有包体
                return 0;
            start += HttpConst.Flag_HttpContentLenth.Length;
            int end = HttpHeaderText.IndexOf(HttpConst.Flag_Return, start);
            if (end < 0)
                return -1;
            string intValue = HttpHeaderText.Substring(start, end - start).Trim();
            if (int.TryParse(intValue, out _httpContentLen))
                return _httpContentLen;
            return -1;
        }
    }
    public string HttpAllText
    {
        get
        {
            byte[] textBytes = _bufferManage.GetAllByte();
            string text = Encoding.UTF8.GetString(textBytes);
            return text;
        }
    }
    public int TotalByteLength => _bufferManage.TotalByteLength;
    public bool IsReadEnd
    {
        get
        {
            if (!IsHttpHeadOver)
                return false;
            if (HttpContentLen == -1)
                return false;
            int shouldLenth = HeaderByteCount + HttpContentLen;
            bool result = TotalByteLength >= shouldLenth;
            return result;
        }
    }
    public List<HttpByteValueKey> GetBodyParamBuffer()
 {
        List<HttpByteValueKey> result = new List<HttpByteValueKey>();
        if (HttpContentLen < 0)
            return result;
        Debug.Assert(IsReadEnd);
        if (HttpContentLen == 0)
            return result;
        byte[] bodyBytes = _bufferManage.GetSubBuffer(HeaderByteCount, HttpContentLen);
        //获取key value对应的byte
        int start = 0;
        int current = 0;
        HttpByteValueKey item = null;
        foreach (byte b in bodyBytes)
        {
            if (item == null)
                item = new HttpByteValueKey();
            current++;
            if (b == '=')
            {
                byte[] buffer = new byte[current - start - 1];
                Buffer.BlockCopy(bodyBytes, start, buffer, 0, buffer.Length);
                item.Key = buffer;
                start = current;
            }
            else if (b == '&')
 {
                byte[] buffer = new byte[current - start - 1];
                Buffer.BlockCopy(bodyBytes, start, buffer, 0, buffer.Length);
                item.Value = buffer;
                start = current;
                result.Add(item);
                item = null;
            }
        }
        if (item != null && item.Key != null)
        {
            byte[] buffer = new byte[bodyBytes.Length - start];
            Buffer.BlockCopy(bodyBytes, start, buffer, 0, buffer.Length);
            item.Value = buffer;
            result.Add(item);
        }
        return result;
    }
    public string HttpBodyText
    {
        get
        {
            if (HttpContentLen < 0)
                return string.Empty;
            Debug.Assert(IsReadEnd);
            if (HttpContentLen == 0)
                return string.Empty;
            byte[] bodyBytes = _bufferManage.GetSubBuffer(HeaderByteCount, HttpContentLen);
            string bodyString = Encoding.UTF8.GetString(bodyBytes);
            return bodyString;
        }
    }
}

4、性能测试

采用模拟客户端持续发送http请求测试，每个http请求包含两个图片。一次http请求大概发送70K数据。服务端解析数据后，立即发送应答。

注：所有测试都在本机，客户端无法模拟大量http请求，只能做简单压力测试。

1）本人所写的服务器，测试结果如下

每秒可发送300次请求，每秒发送数据25M，服务器cpu占有率为4%。

2）ASP.NET Core 服务器性能测试

每秒发送30次请求，服务器cpu占有率为12%。

测试对比

本人开发的服务端处理速度为ASP.NET Core的10倍，cpu占用为对方的三分之一。ASP.NET Core处理慢，有可能实现了更多的功能；只是这些隐藏的功能，对我们也没用。

后记

如果没有开发经验，没有清晰的处理思路，开发一个高效的http服务器还有很困难的。

本人也一直以来都是采用ASP.NET Core作为http服务器。因为工作中需要高效的http服务器，就尝试写一个。

不可否认，ASP.NET Core各方面肯定优化的很好；但是ASP.NET Core 提供的某些功能是多余的。如果化繁为简，根据业务特点开发，性能未必不能更优。

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