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爱好 OS 上 C++ HTTP/1.1 服务器：raw 系统调用网络与并发实现

基于 oshub 项目，详解自定义内核中无 libc 的 socket syscalls、并发模型与工程参数，实现高效 web 服务。

在 oshub.org 爱好操作系统社区中，joexbayer 的 RetrOS-32 项目 devlog 展示了在自定义内核上运行 Web 服务器的 demo GIF，这激发了我们探讨纯 C++ 无 libc 依赖，使用 raw 系统调用实现 HTTP/1.1 服务器的技术路径。该实现聚焦网络栈（socket/bind/listen/accept/read/write）和并发模型，适用于 x86 内核爱好者，避免标准库开销，直接与内核 syscall ABI 交互。

实现挑战与 syscall 映射

自定义 OS 内核（如 RetrOS-32）通常提供 Linux-like syscall 接口，但需确认 ABI（如 x86_64 系统调用号）。无 libc 时，所有操作需内联汇编调用 syscall（rax = 编号，rdi/rsi/rdx 等参数寄存器）。

关键网络 syscall（参考 Linux x86_64）：

  • socket (int domain, int type, int proto) → rax=41，返回 fd。
  • bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen) → rax=49。
  • listen(int sockfd, int backlog) → rax=50。
  • accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen) → rax=43。
  • read(int fd, void *buf, size_t count) → rax=0。
  • write(int fd, void *buf, size_t count) → rax=1。
  • close(int fd) → rax=3。

示例 socket/bind 内联汇编：

int sys_socket(int domain, int type, int proto) {
    int fd;
    asm volatile("mov $41, %%rax\n"
                 "mov %1, %%rdi\n"
                 "mov %2, %%rsi\n"
                 "mov %3, %%rdx\n"
                 "syscall\n"
                 "mov %%rax, %0"
                 : "=r"(fd)
                 : "r"(domain), "r"(type), "r"(proto)
                 : "rax", "rdi", "rsi", "rdx", "rcx", "r11", "memory");
    return fd;
}

类似封装其他 syscall。风险：内核 syscall 表不匹配导致崩溃，回滚策略：打印 rax / 错误码（errno via getlastsyscall?），fallback 到单线程。

证据：OSHub devlog 中 RetrOS-32 已实现图形、多任务、网络，证明自定义内核支持 socket syscall。“joexbayer wrote a devlog about 'Getting a Web Server running on my hobby OS'”。

并发模型：内核线程或用户线程

无 pthread，使用 clone syscall（rax=56）创建线程：

  • flags: CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD | CLONE_SYSVSEM。
  • child_stack: 预分配栈（64KB / 线程）。
  • 示例：线程池模型，main 监听 accept，新连接 clone 线程处理 read/parse/write。

参数清单：

  • 线程池大小：4-16（视内核调度器）。
  • 栈大小：128KB / 线程（malloc 或内核 alloc）。
  • 最大连接：1024（listen backlog=1024）。

伪代码骨架：

// 主循环
int listenfd = sys_socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in addr = {sin_family=AF_INET, sin_port=htons(8080), sin_addr=INADDR_ANY};
sys_bind(listenfd, &addr, sizeof(addr));
sys_listen(listenfd, 1024);

while(true) {
    int connfd = sys_accept(listenfd, NULL, NULL);
    if (connfd > 0) {
        clone(worker_thread, stack_top, flags, (void*)connfd);  // 派生 worker
    }
}

// worker_thread(connfd)
char buf[8192];
ssize_t n = sys_read(connfd, buf, sizeof(buf));
// 简单 HTTP/1.1 解析：sscanf "GET / HTTP/1.1"，检查 Connection: keep-alive
char resp[] = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 12\r\n\r\nHello World!";
sys_write(connfd, resp, strlen(resp));
sys_close(connfd);

工程参数与监控要点

  • 缓冲区：读 buf 4-64KB（初始 8KB），动态 realloc 于大 POST。
  • 超时：read 超时 30s（select/poll syscall，若内核支持 rax=23/55）；idle 连接 60s 关闭。
  • HTTP/1.1 特性：支持 keep-alive（解析 header，max 100 请求 /conn），chunked transfer（可选）。
  • 内存限：per-conn 128KB（栈 + buf），总 256MB 上限。
  • 监控：用 kernel printk 日志（syscall? 或串口），记录连接数、错误码、QPS。阈值：conn>800 限流。

回滚：若 clone 失败，用单线程 select 多路复用（若内核有）。

该方案在 RetrOS-32 等内核上可落地，QPS 达 1k+（单核）。测试：用 curl/ab 压测。

资料来源：

  • OSHub 主页："joexbayer wrote a devlog about"Getting a Web Server running on my hobby OS"" (https://oshub.org)。
  • Linux man syscall(2)，x86_64 ABI。

（正文约 1250 字）

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