协程驱动的高性能异步 HTTP 服务器：基础实现与任务调度机制

一、引言：为什么用协程实现 HTTP 服务器？

传统 HTTP 服务器的编程模型大致分为：

• 多线程阻塞型：每连接一线程，简洁但扩展性差

• 事件驱动模型（如 epoll + 状态机）：高性能但逻辑复杂

• 回调式异步（如 Boost::Asio）：性能好但写法晦涩

C++20 引入 原生协程（coroutine） 后，我们可以用“同步风格”编写异步逻辑，兼顾性能与可读性。

本文将带你从零实现一个基于协程 + epoll 的轻量 HTTP 服务器，支持多连接并发、非阻塞 I/O 以及协程调度。

二、项目目标与能力规划

项目目标

实现一个简易 HTTP 服务：

• 使用 epoll 管理连接

• 每个连接由一个协程处理

• 实现 HTTP 请求解析 + 回应

• 支持并发数千连接的负载能力

三、项目结构概览

swift

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/http_coro_server/ │ ├── main.cpp // 主程序，启动监听与事件循环 ├── coroutine_task.hpp // Task 协程封装 ├── epoll_loop.hpp // epoll 封装与事件调度 ├── connection.hpp // 每个连接处理逻辑（协程） └── utils.hpp // socket/非阻塞工具函数

四、基础组件 1：协程返回类型 Task

cpp

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// coroutine_task.hpp template<typename T = void> struct Task { struct promise_type { std::optional<T> value; Task get_return_object() { return Task{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)}; } std::suspend_always initial_suspend() noexcept { return {}; } std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; } void return_value(T v) { value = v; } void unhandled_exception() { std::exit(1); } }; std::coroutine_handle<promise_type> handle; Task(std::coroutine_handle<promise_type> h) : handle(h) {} ~Task() { if (handle) handle.destroy(); } void start() { handle.resume(); } };

五、基础组件 2：设置非阻塞 socket 工具

cpp

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// utils.hpp int set_non_blocking(int fd) { int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0); return fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); } int create_server_socket(int port) { int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); sockaddr_in addr{AF_INET, htons(port), INADDR_ANY}; bind(fd, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr)); listen(fd, SOMAXCONN); set_non_blocking(fd); return fd; }

六、基础组件 3：epoll 封装与事件管理

cpp

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// epoll_loop.hpp class EpollLoop { int epoll_fd; std::unordered_map<int, std::coroutine_handle<>> waiters; public: EpollLoop() { epoll_fd = epoll_create1(0); } void add(int fd, uint32_t events, std::coroutine_handle<> h) { epoll_event ev{events, {.fd = fd}}; epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev); waiters[fd] = h; } void resume_events() { epoll_event events[64]; int n = epoll_wait(epoll_fd, events, 64, 10); for (int i = 0; i < n; ++i) { int fd = events[i].data.fd; if (waiters.count(fd)) { auto h = waiters[fd]; waiters.erase(fd); h.resume(); } } } void remove(int fd) { epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr); waiters.erase(fd); } };

七、Awaitable 类型封装：ReadAwaiter / WriteAwaiter

cpp

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struct ReadAwaiter { int fd; EpollLoop& loop; bool await_ready() { return false; } void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) { loop.add(fd, EPOLLIN | EPOLLET, h); } void await_resume() {} }; struct WriteAwaiter { int fd; EpollLoop& loop; bool await_ready() { return false; } void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) { loop.add(fd, EPOLLOUT | EPOLLET, h); } void await_resume() {} };

八、协程：每个连接的处理逻辑

cpp

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// connection.hpp Task<> handle_connection(int client_fd, EpollLoop& loop) { char buf[1024]; std::string request; while (true) { co_await ReadAwaiter{client_fd, loop}; int n = read(client_fd, buf, sizeof(buf)); if (n <= 0) break; request.append(buf, n); if (request.find("\r\n\r\n") != std::string::npos) break; } std::string response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" "Content-Length: 13\r\n" "Content-Type: text/plain\r\n\r\n" "Hello, world!"; co_await WriteAwaiter{client_fd, loop}; send(client_fd, response.c_str(), response.size(), 0); close(client_fd); }

九、main 函数：接受连接 + 事件循环

cpp

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// main.cpp #include "coroutine_task.hpp" #include "utils.hpp" #include "epoll_loop.hpp" #include "connection.hpp" int main() { int server_fd = create_server_socket(8080); EpollLoop loop; while (true) { sockaddr_in client_addr; socklen_t len = sizeof(client_addr); int client_fd = accept(server_fd, (sockaddr*)&client_addr, &len); if (client_fd >= 0) { set_non_blocking(client_fd); handle_connection(client_fd, loop).start(); } loop.resume_events(); // 激活等待事件的协程 } close(server_fd); }

十、性能测试建议

可以使用 Apache Benchmark 或 wrk 进行测试：

bash

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ab -n 10000 -c 100 http://127.0.0.1:8080/

或：

bash

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wrk -t4 -c100 -d10s http://localhost:8080/

十一、可拓展方向

十二、项目优势与可落地性

• C++20 原生协程，无需 Boost、libuv 等繁重依赖

• epoll + 协程方式性能优于线程池架构

• 易于理解与拓展，可逐步演化为微型 Web 框架

• 支持高并发请求处理，适合 IoT、嵌入式、微服务网关等场景

十三、总结

我们实现了一个完整的协程驱动 HTTP Server：

• 基于 C++20 coroutine + epoll 构建事件驱动框架

• 每个连接一个协程，逻辑清晰，处理自然

• 使用 Awaitable 类型管理 I/O 阻塞

• 实现非阻塞 accept、read、write