Go 每日一库之 net/http（基础和中间件）
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2021-10-25 21:51
简介
几乎所有的编程语言都以Hello World作为入门程序的示例，其中有一部分以编写一个 Web 服务器作为实战案例的开始。每种编程语言都有很多用于编写 Web 服务器的库，或以标准库，或通过第三方库的方式提供。Go 语言也不例外。本文及后续的文章就去探索 Go 语言中的各个Web 编程框架，它们的基本使用，阅读它们的源码，比较它们优缺点。让我们先从 Go 语言的标准库net/http开始。标准库net/http让编写 Web 服务器的工作变得非常简单。我们一起探索如何使用net/http库实现一些常见的功能或模块，了解这些对我们学习其他的库或框架将会很有帮助。
Hello World
使用net/http编写一个简单的 Web 服务器非常简单：
package main
import (
"fmt"
"net/http"
)
func index(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
fmt.Fprintln(w, "Hello World")
}
func main() {
http.HandleFunc("/", index)
http.ListenAndServe(":8080", nil)
}
首先，我们调用http.HandleFunc("/", index)注册路径处理函数，这里将路径/的处理函数设置为index。处理函数的类型必须是：
func (http.ResponseWriter, *http.Request)
其中*http.Request表示 HTTP 请求对象，该对象包含请求的所有信息，如 URL、首部、表单内容、请求的其他内容等。
http.ResponseWriter是一个接口类型：
// net/http/server.go
type ResponseWriter interface {
Header() Header
Write([]byte) (int, error)
WriteHeader(statusCode int)
}
用于向客户端发送响应，实现了ResponseWriter接口的类型显然也实现了io.Writer接口。所以在处理函数index中，可以调用fmt.Fprintln()向ResponseWriter写入响应信息。
仔细阅读net/http包中HandleFunc()函数的源码：
func HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
DefaultServeMux.HandleFunc(pattern, handler)
}
我们发现它直接调用了一个名为DefaultServeMux对象的HandleFunc()方法。DefaultServeMux是ServeMux类型的实例：
type ServeMux struct {
mu sync.RWMutex
m map[string]muxEntry
es []muxEntry // slice of entries sorted from longest to shortest.
hosts bool // whether any patterns contain hostnames
}
var DefaultServeMux = &defaultServeMux
var defaultServeMux ServeMux
像这种提供默认类型实例的用法在 Go 语言的各个库中非常常见，在默认参数就已经足够的场景中使用默认实现很方便。ServeMux保存了注册的所有路径和处理函数的对应关系。ServeMux.HandleFunc()方法如下：
func (mux *ServeMux) HandleFunc(pattern string, handler func(ResponseWriter, *Request)) {
mux.Handle(pattern, HandlerFunc(handler))
}
这里将处理函数handler转为HandlerFunc类型，然后调用ServeMux.Handle()方法注册。注意这里的HandlerFunc(handler)是类型转换，而非函数调用，类型HandlerFunc的定义如下：
type HandlerFunc func(ResponseWriter, *Request)
func (f HandlerFunc) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
f(w, r)
}
HandlerFunc实际上是以函数类型func(ResponseWriter, *Request)为底层类型，为HandlerFunc类型定义了方法ServeHTTP。是的，Go 语言允许为（基于）函数的类型定义方法。Serve.Handle()方法只接受类型为接口Handler的参数：
type Handler interface {
ServeHTTP(ResponseWriter, *Request)
}
func (mux *ServeMux) Handle(pattern string, handler Handler) {
if mux.m == nil {
mux.m = make(map[string]muxEntry)
}
e := muxEntry{h: handler, pattern: pattern}
if pattern[len(pattern)-1] == '/' {
mux.es = appendSorted(mux.es, e)
}
mux.m[pattern] = e
}
显然HandlerFunc实现了接口Handler。HandlerFunc类型只是为了方便注册函数类型的处理器。我们当然可以直接定义一个实现Handler接口的类型，然后注册该类型的实例：
type greeting string
func (g greeting) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
fmt.Fprintln(w, g)
}
http.Handle("/greeting", greeting("Welcome, dj"))
我们基于string类型定义了一个新类型greeting，然后为它定义一个方法ServeHTTP()（实现接口Handler），最后调用http.Handle()方法注册该处理器。
为了便于区分，我们将通过HandleFunc()注册的称为处理函数，将通过Handle()注册的称为处理器。通过上面的源码分析不难看出，它们在底层本质上是一回事。
注册了处理逻辑后，调用http.ListenAndServe(":8080", nil)监听本地计算机的 8080 端口，开始处理请求。下面看源码的处理：
func ListenAndServe(addr string, handler Handler) error {
server := &Server{Addr: addr, Handler: handler}
return server.ListenAndServe()
}
ListenAndServe创建了一个Server类型的对象：
type Server struct {
Addr string
Handler Handler
TLSConfig *tls.Config
ReadTimeout time.Duration
ReadHeaderTimeout time.Duration
WriteTimeout time.Duration
IdleTimeout time.Duration
}
Server结构体有比较多的字段，我们可以使用这些字段来调节 Web 服务器的参数，如上面的ReadTimeout/ReadHeaderTimeout/WriteTimeout/IdleTimeout用于控制读写和空闲超时。在该方法中，先调用net.Listen()监听端口，将返回的net.Listener作为参数调用Server.Serve()方法：
func (srv *Server) ListenAndServe() error {
addr := srv.Addr
ln, err := net.Listen("tcp", addr)
if err != nil {
return err
}
return srv.Serve(ln)
}
在Server.Serve()方法中，使用一个无限的for循环，不停地调用Listener.Accept()方法接受新连接，开启新 goroutine 处理新连接：
func (srv *Server) Serve(l net.Listener) error {
var tempDelay time.Duration // how long to sleep on accept failure
for {
rw, err := l.Accept()
if err != nil {
if ne, ok := err.(net.Error); ok && ne.Temporary() {
if tempDelay == 0 {
tempDelay = 5 * time.Millisecond
} else {
tempDelay *= 2
}
if max := 1 * time.Second; tempDelay > max {
tempDelay = max
}
srv.logf("http: Accept error: %v; retrying in %v", err, tempDelay)
time.Sleep(tempDelay)
continue
}
return err
}
tempDelay = 0
c := srv.newConn(rw)
go c.serve(connCtx)
}
}
这里有一个指数退避策略的用法。如果l.Accept()调用返回错误，我们判断该错误是不是临时性地（ne.Temporary()）。如果是临时性错误，Sleep一小段时间后重试，每发生一次临时性错误，Sleep的时间翻倍，最多Sleep 1s。获得新连接后，将其封装成一个conn对象（srv.newConn(rw)），创建一个 goroutine 运行其serve()方法。省略无关逻辑的代码如下：
func (c *conn) serve(ctx context.Context) {
for {
w, err := c.readRequest(ctx)
serverHandler{c.server}.ServeHTTP(w, w.req)
w.finishRequest()
}
}
serve()方法其实就是不停地读取客户端发送的请求，创建serverHandler对象调用其ServeHTTP()方法去处理请求，然后做一些清理工作。serverHandler只是一个中间的辅助结构，代码如下：
type serverHandler struct {
srv *Server
}
func (sh serverHandler) ServeHTTP(rw ResponseWriter, req *Request) {
handler := sh.srv.Handler
if handler == nil {
handler = DefaultServeMux
}
handler.ServeHTTP(rw, req)
}
从Server对象中获取Handler，这个Handler就是调用http.ListenAndServe()时传入的第二个参数。在Hello World的示例代码中，我们传入了nil。所以这里handler会取默认值DefaultServeMux。调用DefaultServeMux.ServeHTTP()方法处理请求：
func (mux *ServeMux) ServeHTTP(w ResponseWriter, r *Request) {
h, _ := mux.Handler(r)
h.ServeHTTP(w, r)
}
mux.Handler(r)通过请求的路径信息查找处理器，然后调用处理器的ServeHTTP()方法处理请求：
func (mux *ServeMux) Handler(r *Request) (h Handler, pattern string) {
host := stripHostPort(r.Host)
return mux.handler(host, r.URL.Path)
}
func (mux *ServeMux) handler(host, path string) (h Handler, pattern string) {
h, pattern = mux.match(path)
return
}
func (mux *ServeMux) match(path string) (h Handler, pattern string) {
v, ok := mux.m[path]
if ok {
return v.h, v.pattern
}
for _, e := range mux.es {
if strings.HasPrefix(path, e.pattern) {
return e.h, e.pattern
}
}
return nil, ""
}
上面的代码省略了大量的无关代码，在match方法中，首先会检查路径是否精确匹配mux.m[path]。如果不能精确匹配，后面的for循环会匹配路径的最长前缀。只要注册了/根路径处理，所有未匹配到的路径最终都会交给/路径处理。为了保证最长前缀优先，在注册时，会对路径进行排序。所以mux.es中存放的是按路径排序的处理列表：
func appendSorted(es []muxEntry, e muxEntry) []muxEntry {
n := len(es)
i := sort.Search(n, func(i int) bool {
return len(es[i].pattern) < len(e.pattern)
})
if i == n {
return append(es, e)
}
es = append(es, muxEntry{})
copy(es[i+1:], es[i:])
es[i] = e
return es
}
运行，在浏览器中键入网址localhost:8080，可以看到网页显示Hello World。键入网址localhost:8080/greeting，看到网页显示Welcome, dj。
思考题：根据最长前缀的逻辑，如果键入localhost:8080/greeting/a/b/c，应该会匹配/greeting路径。如果键入localhost:8080/a/b/c，应该会匹配/路径。是这样么？答案放在后面😀。
创建ServeMux
调用http.HandleFunc()/http.Handle()都是将处理器/函数注册到ServeMux的默认对象DefaultServeMux上。使用默认对象有一个问题：不可控。
一来Server参数都使用了默认值，二来第三方库也可能使用这个默认对象注册一些处理，容易冲突。更严重的是，我们在不知情中调用http.ListenAndServe()开启 Web 服务，那么第三方库注册的处理逻辑就可以通过网络访问到，有极大的安全隐患。所以，除非在示例程序中，否则建议不要使用默认对象。
我们可以使用http.NewServeMux()创建一个新的ServeMux对象，然后创建http.Server对象定制参数，用ServeMux对象初始化Server的Handler字段，最后调用Server.ListenAndServe()方法开启 Web 服务：
func main() {
mux := http.NewServeMux()
mux.HandleFunc("/", index)
mux.Handle("/greeting", greeting("Welcome to go web frameworks"))
server := &http.Server{
Addr: ":8080",
Handler: mux,
ReadTimeout: 20 * time.Second,
WriteTimeout: 20 * time.Second,
}
server.ListenAndServe()
}
这个程序与上面的Hello World功能基本相同，我们还额外设置了读写超时。
为了便于理解，我画了两幅图，其实整理下来整个流程也不复杂：
中间件
有时候需要在请求处理代码中增加一些通用的逻辑，如统计处理耗时、记录日志、捕获宕机等等。如果在每个请求处理函数中添加这些逻辑，代码很快就会变得不可维护，添加新的处理函数也会变得非常繁琐。所以就有了中间件的需求。
中间件有点像面向切面的编程思想，但是与 Java 语言不同。在 Java 中，通用的处理逻辑（也可以称为切面）可以通过反射插入到正常逻辑的处理流程中，在 Go 语言中基本不这样做。
在 Go 中，中间件是通过函数闭包来实现的。Go 语言中的函数是第一类值，既可以作为参数传给其他函数，也可以作为返回值从其他函数返回。我们前面介绍了处理器/函数的使用和实现。那么可以利用闭包封装已有的处理函数。
首先，基于函数类型func(http.Handler) http.Handler定义一个中间件类型：
type Middleware func(http.Handler) http.Handler
接下来我们来编写中间件，最简单的中间件就是在请求前后各输出一条日志：
func WithLogger(handler http.Handler) http.Handler {
return http.HandlerFunc(func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
logger.Printf("path:%s process start...\n", r.URL.Path)
defer func() {
logger.Printf("path:%s process end...\n", r.URL.Path)
}()
handler.ServeHTTP(w, r)
})
}
实现很简单，通过中间件封装原来的处理器对象，然后返回一个新的处理函数。在新的处理函数中，先输出开始处理的日志，然后用defer语句在函数结束后输出处理结束的日志。接着调用原处理器对象的ServeHTTP()方法执行原处理逻辑。
类似地，我们再来实现一个统计处理耗时的中间件：
func Metric(handler http.Handler) http.HandlerFunc {
return func (w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
start := time.Now()
defer func() {
logger.Printf("path:%s elapsed:%fs\n", r.URL.Path, time.Since(start).Seconds())
}()
time.Sleep(1 * time.Second)
handler.ServeHTTP(w, r)
}
}
Metric中间件封装原处理器对象，开始执行前记录时间，执行完成后输出耗时。为了能方便看到结果，我在上面代码中添加了一个time.Sleep()调用。
最后，由于请求的处理逻辑都是由功能开发人员（而非库作者）自己编写的，所以为了 Web 服务器的稳定，我们需要捕获可能出现的 panic。PanicRecover中间件如下：
func PanicRecover(handler http.Handler) http.Handler {
return http.HandlerFunc(func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
defer func() {
if err := recover(); err != nil {
logger.Println(string(debug.Stack()))
}
}()
handler.ServeHTTP(w, r)
})
}
调用recover()函数捕获 panic，输出堆栈信息，为了防止程序异常退出。实际上，在conn.serve()方法中也有recover()，程序一般不会异常退出。但是自定义的中间件可以添加我们自己的定制逻辑。
现在我们可以这样来注册处理函数：
mux.Handle("/", PanicRecover(WithLogger(Metric(http.HandlerFunc(index)))))
mux.Handle("/greeting", PanicRecover(WithLogger(Metric(greeting("welcome, dj")))))
这种方式略显繁琐，我们可以编写一个帮助函数，它接受原始的处理器对象，和可变的多个中间件。对处理器对象应用这些中间件，返回新的处理器对象：
func applyMiddlewares(handler http.Handler, middlewares ...Middleware) http.Handler {
for i := len(middlewares)-1; i >= 0; i-- {
handler = middlewares[i](handler)
}
return handler
}
注意应用顺序是从右到左的，即右结合，越靠近原处理器的越晚执行。
利用帮助函数，注册可以简化为：
middlewares := []Middleware{
PanicRecover,
WithLogger,
Metric,
}
mux.Handle("/", applyMiddlewares(http.HandlerFunc(index), middlewares...))
mux.Handle("/greeting", applyMiddlewares(greeting("welcome, dj"), middlewares...))
上面每次注册处理逻辑都需要调用一次applyMiddlewares()函数，还是略显繁琐。我们可以这样来优化，封装一个自己的ServeMux结构，然后定义一个方法Use()将中间件保存下来，重写Handle/HandleFunc将传入的http.HandlerFunc/http.Handler处理器包装中间件之后再传给底层的ServeMux.Handle()方法：
type MyMux struct {
*http.ServeMux
middlewares []Middleware
}
func NewMyMux() *MyMux {
return &MyMux{
ServeMux: http.NewServeMux(),
}
}
func (m *MyMux) Use(middlewares ...Middleware) {
m.middlewares = append(m.middlewares, middlewares...)
}
func (m *MyMux) Handle(pattern string, handler http.Handler) {
handler = applyMiddlewares(handler, m.middlewares...)
m.ServeMux.Handle(pattern, handler)
}
func (m *MyMux) HandleFunc(pattern string, handler http.HandlerFunc) {
newHandler := applyMiddlewares(handler, m.middlewares...)
m.ServeMux.Handle(pattern, newHandler)
}
注册时只需要创建MyMux对象，调用其Use()方法传入要应用的中间件即可：
middlewares := []Middleware{
PanicRecover,
WithLogger,
Metric,
}
mux := NewMyMux()
mux.Use(middlewares...)
mux.HandleFunc("/", index)
mux.Handle("/greeting", greeting("welcome, dj"))
这种方式简单易用，但是也有它的问题，最大的问题是必须先设置好中间件，然后才能调用Handle/HandleFunc注册，后添加的中间件不会对之前注册的处理器/函数生效。
为了解决这个问题，我们可以改写ServeHTTP方法，在确定了处理器之后再应用中间件。这样后续添加的中间件也能生效。很多第三方库都是采用这种方式。http.ServeMux默认的ServeHTTP()方法如下：
func (m *ServeMux) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
if r.RequestURI == "*" {
if r.ProtoAtLeast(1, 1) {
w.Header().Set("Connection", "close")
}
w.WriteHeader(http.StatusBadRequest)
return
}
h, _ := m.Handler(r)
h.ServeHTTP(w, r)
}
改造这个方法定义MyMux类型的ServeHTTP()方法也很简单，只需要在m.Handler(r)获取处理器之后，应用当前的中间件即可：
func (m *MyMux) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
// ...
h, _ := m.Handler(r)
// 只需要加这一行即可
h = applyMiddlewares(h, m.middlewares...)
h.ServeHTTP(w, r)
}
后面我们分析其他 Web 框架的源码时会发现，很多都是类似的做法。为了测试宕机恢复，编写一个会触发 panic 的处理函数：
func panics(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
panic("not implemented")
}
mux.HandleFunc("/panic", panics)
运行，在浏览器中请求localhost:8080/和localhost:8080/greeting，最后请求localhost:8080/panic触发 panic：
思考题
思考题：
这其实就是看阅读代码是不是仔细，最长前缀的排序列表在ServeMux.Handle()方法中生成：
func (mux *ServeMux) Handle(pattern string, handler Handler) {
if pattern[len(pattern)-1] == '/' {
mux.es = appendSorted(mux.es, e)
}
}
这里明显有个限制条件，即注册路径最后必须以/结尾才会触发。所以localhost:8080/greeting/a/b/c和localhost:8080/a/b/c都只会匹配/路径。如果想要让localhost:8080/greeting/a/b/c匹配路径/greeting，注册路径需要改为/greeting/：
http.Handle("/greeting/", greeting("Welcome to go web frameworks"))
这时请求路径/greeting会自动重定向（301）到/greeting/。
总结
本文介绍了使用标准库net/http创建 Web 服务器的基本流程，一步步分析源码。然后介绍了如何使用中间件简化通用的处理逻辑。学习并理解了net/http库的内容对于学习其他的 Go Web 框架非常有帮助。第三方的 Go Web 框架大多也是基于net/http实现自己的ServeMux对象而已。
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参考
Go 每日一库 GitHub：https://github.com/darjun/go-daily-lib
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