C++ 手写 HTTP 服务器：从请求解析到响应构建全流程

C++ 手写 HTTP 服务器：从请求解析到响应构建全流程

在网络编程中，TCP 是面向字节流的通信方式，本身不具备消息边界功能。要实现完整的网络通信，必须设计应用层协议。虽然我们可以自定义协议，但为了通用性，业界已有成熟的方案，比如 HTTP（超文本传输协议）。

常见应用层协议概览

协议名称	协议全称	默认端口	传输层协议	说明
HTTP	超文本传输协议	80	TCP	网页访问（明文）
HTTPS	安全超文本传输协议	443	TCP	加密网页
FTP	文件传输协议	21 / 20	TCP	文件上传下载
TFTP	简单文件传输协议	69	UDP	简单传输
SMTP	邮件发送协议	25	TCP	发送邮件
POP3	邮件接收协议	110	TCP	下载邮件
IMAP	邮件访问协议	143	TCP	管理邮件
DNS	域名系统	53	UDP/TCP	域名解析
DHCP	动态主机配置协议	67 / 68	UDP	自动分配 IP
Telnet	远程登录协议	23	TCP	不安全远程登录
SSH	安全远程登录	22	TCP	加密远程连接
SNMP	网络管理协议	161	UDP	网络设备管理
NTP	网络时间协议	123	UDP	时间同步

认识 URL 与 DNS 解析

当我们通过浏览器访问网站时，输入的其实是域名。例如 https://www.baidu.com/。浏览器并不会直接通过这个字符串访问，而是需要先将其解析为对应的 IP 地址。

具体流程如下：

• 客户端（浏览器或操作系统）向本地 DNS 服务器发送解析请求。
• 如果本地 DNS 服务器没有缓存结果，它会向更高层级的 DNS 服务器发起查询：根域名服务器 -> 顶级域名服务器 -> 权威域名服务器。
• 最终找到该域名对应的 IP 地址并返回给客户端。

拿到 IP 地址后，客户端通过 IP 地址 + 端口号 建立连接。你可能注意到 HTTPS 链接中通常不显示端口号，这是因为 HTTPS 协议隐含了默认端口 443，就像生活中 110 代表报警电话一样，浏览器会自动补全，而非端口不存在。

IP 地址负责定位主机，端口号负责定位主机上的具体服务，二者缺一不可。

HTTP 协议结构

HTTP 通信本质上是在 TCP 之上，按照固定格式传输的一段'结构化字符串'。一次完整的 HTTP 通信包含请求报文和响应报文。

请求报文结构

1. 请求行：包含请求方法（如 GET、POST）、资源路径以及 HTTP 版本。明确'我要做什么、访问哪里、用什么协议版本'。
2. 请求报头：多行 key:value 形式，携带额外信息（如 Host、Content-Type）。以 \r\n 分隔。
3. 空行：表示报头结束，后续内容即为正文。
4. 请求正文：GET 请求通常为空，POST 请求则携带表单或 JSON 数据。

响应报文结构

1. 状态行：包含 HTTP 版本、状态码及描述信息（如 200 OK）。
2. 响应报头：说明返回数据的类型、长度等。
3. 空行：分隔元数据和数据内容。
4. 响应正文：客户端真正关心的部分，如 HTML、JSON 或图片数据。

HTTP 服务器实现

接下来我们尝试用 C++ 实现一个能被浏览器访问的简易 HTTP 服务器。

一、实现效果

启动服务器后，在浏览器输入 http://ip:port/ 即可访问我们自己写的网页：

• 支持返回 index.html
• 支持简单页面跳转

二、基本原理

HTTP 服务器本质还是一个 TCP 服务器，只不过多了一步：解析请求 + 返回符合 HTTP 协议的数据。

整体流程：

socket → bind → listen → accept ↓ 创建线程 ↓ read → 解析 → write

三、核心代码思路

1. 读取浏览器请求

char buffer[1024]; 
ssize_t s = read(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);

浏览器发来的请求大致是：

GET /index.html HTTP/1.1
Host: xxx

2. 解析请求行

std::stringstream ss(req_header[0]); 
std::string method, url, version; 
ss >> method >> url >> version;

我们主要关心：

• 请求方法（GET）
• 访问路径（url）

3. 拼接文件路径

std::string path;
if (url == "/" || url == "/index.html") 
    path = "./wwwroot/index.html"; 
else 
    path = "./wwwroot" + url;

4. 读取网页内容

std::ifstream in(path); 
while (std::getline(in, line)) { 
    content += line + "\n"; 
}

5. 构造 HTTP 响应

std::string response;
response = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";
response += "Content-Length: " + std::to_string(content.size()) + "\r\n";
response += "Content-Type: text/html\r\n";
response += "\r\n";
response += content;
write(sockfd, response.c_str(), response.size());

6. 简单处理 404

if (!in.is_open()) {
    std::string body = "<h1>404 Not Found</h1>";
    response = "HTTP/1.0 404 Not Found\r\n";
    response += "Content-Length: " + std::to_string(body.size()) + "\r\n";
    response += "Content-Type: text/html\r\n";
    response += "\r\n";
    response += body;
}

HTTP 服务器完整代码

Socket.hpp

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/stat.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>

enum Err {
    SocketErr = 1,
    BindErr,
    ListenErr
};

class Socket {
public:
    Socket() {}
    void Init() {
        sockfd_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (sockfd_ < 0) {
            std::cout << "socket fail!!!" << std::endl;
            exit(SocketErr);
        }
    }
    void Bind(uint16_t port, std::string ip) {
        struct sockaddr_in server;
        memset(&server, 0, sizeof server);
        server.sin_family = AF_INET;
        server.sin_port = htons(port);
        inet_pton(AF_INET, ip.c_str(), &server.sin_addr);
        if (bind(sockfd_, (struct sockaddr *)&server, sizeof server) < 0) {
            std::cout << "bind fail" << std::endl;
            exit(BindErr);
        }
    }
    void Listen() {
        if (listen(sockfd_, 10) < 0) {
            std::cout << "listen fail" << std::endl;
            exit(ListenErr);
        }
    }
    int Accept(uint16_t *client_port, std::string *client_ip) {
        struct sockaddr_in client;
        bzero(&client, sizeof client);
        socklen_t len = sizeof(client);
        int newfd = accept(sockfd_, (struct sockaddr *)&client, &len);
        if (newfd < 0) {
            return -1;
        }
        char ip[64];
        inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr, ip, sizeof ip);
        *client_port = ntohs(client.sin_port);
        *client_ip = ip;
        return newfd;
    }
    bool Connect(uint16_t server_port, std::string server_ip) {
        struct sockaddr_in server;
        bzero(&server, sizeof server);
        server.sin_family = AF_INET;
        server.sin_port = htons(server_port);
        inet_pton(AF_INET, server_ip.c_str(), &server.sin_addr);
        if (connect(sockfd_, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) < 0) {
            return false;
        }
        return true;
    }
    ~Socket() {
        close(sockfd_);
    }
private:
    int sockfd_;
};

HttpServer.cc

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include "Socket.hpp"
#include <fstream>
#include <vector>
#include <sstream>

const std::string wwwroot = "./wwwroot";

class HttpServer;

class ThreadData {
public:
    ThreadData(int sockfd, HttpServer *ts) : sockfd_(sockfd), ts_(ts) {}
public:
    int sockfd_;
    HttpServer *ts_;
};

class HttpServer {
public:
    HttpServer(uint16_t port, std::string ip) : port_(port), ip_(ip) {}
    void Init() {
        listenfd_.Init();
        listenfd_.Bind(port_, ip_);
        listenfd_.Listen();
    }
    void start() {
        while (1) {
            uint16_t client_port;
            std::string client_ip;
            int sockfd = listenfd_.Accept(&client_port, &client_ip);
            if (sockfd < 0) {
                continue;
            }
            ThreadData *td = new ThreadData(sockfd, this);
            pthread_t tid;
            pthread_create(&tid, nullptr, ThreadRun, td);
        }
    }
    static void *ThreadRun(void *arg) {
        pthread_detach(pthread_self());
        ThreadData *td = (ThreadData *)arg;
        td->ts_->HttpHandler(td->sockfd_);
        delete td;
        return nullptr;
    }
    std::string ReadHtmlContent(std::string &htmlpath) {
        std::string content;
        std::ifstream in(htmlpath.c_str());
        if (!in.is_open()) {
            return "404";
        }
        std::string line;
        while (std::getline(in, line)) {
            content += line;
        }
        in.close();
        return content;
    }
    void HttpHandler(int sockfd) {
        char buffer[1024];
        ssize_t s = read(sockfd, buffer, sizeof buffer - 1);
        std::string request;
        if (s > 0) {
            buffer[s] = 0;
            std::cout << buffer << std::endl;
            request = buffer;
            std::vector<std::string> req_header;
            while (!request.empty()) {
                ssize_t pos = request.find("\r\n", 0);
                if (pos == std::string::npos) {
                    break;
                }
                std::string line = request.substr(0, pos);
                if (line.empty()) {
                    break;
                }
                req_header.push_back(line);
                request.erase(0, pos + 2);
            }
            std::stringstream ss(req_header[0]);
            std::string method;
            std::string url;
            std::string http_version;
            ss >> method >> url >> http_version;
            std::string path = url;
            if (path == "/" || path == "/index.html") {
                path = wwwroot + "/index.html";
            } else {
                path = wwwroot + url;
            }
            std::string text = ReadHtmlContent(path);
            std::string response;
            if (text == "404") {
                std::string body = "<h1>404 Not Found</h1>";
                response = "HTTP/1.0 404 Not Found\r\n";
                response += "Content-Length: " + std::to_string(body.size()) + "\r\n";
                response += "Content-Type: text/html\r\n";
                response += "\r\n";
                response += body;
            } else {
                response = "HTTP/1.0 200 OK\r\n";
                response += "Content-Length: " + std::to_string(text.size()) + "\r\n";
                response += "Content-Type: text/html\r\n";
                response += "\r\n";
                response += text;
            }
            write(sockfd, response.c_str(), response.size());
        }
        close(sockfd);
    }
    ~HttpServer() {}
private:
    Socket listenfd_;
    uint16_t port_;
    std::string ip_;
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    uint16_t port = std::stoi(argv[2]);
    std::string ip = argv[1];
    HttpServer *svr = new HttpServer(port, ip);
    svr->Init();
    svr->start();
    return 0;
}

index.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
<title>index</title>
</head>
<body>
<h1>你是一个好人</h1>
<a href="http://localhost:8080/a/b/hello.html">下一页</a>
</body>
</html>

hello.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
<title>Hello World</title>
</head>
<body>
<h1>祝你幸福</h1>
<a href="http://localhost:8080/index.html">回到首页</a>
</body>
</html>

HTTP 的方法

其中最常用的就是 GET 和 POST 方法。我们通过现象来看看它们有什么不同。

GET 方法

<form action="http://localhost:8080/a/b/hello.html" method="GET">
银行卡账号：<input type="text" name="user"><br>
银行卡密码：<input type="password" name="pass"><br>
<input type="submit" value="登录">
</form>

使用 GET 方法提交表单后，参数会拼接到 URL 之后。这意味着敏感信息（如密码）可能会暴露在地址栏或日志中，且 URL 长度有限制。

POST 方法

<form action="http://localhost:8080/a/b/hello.html" method="POST">
银行卡账号：<input type="text" name="user"><br>
银行卡密码：<input type="password" name="pass"><br>
<input type="submit" value="登录">
</form>

使用 POST 方法时，提交的参数显示在 HTTP 请求信息的正文部分（Body），不会出现在 URL 中，相对更安全，适合传输敏感数据。

总结

从之前的 TCP 通信，到现在亲手实现一个 HTTP 服务器，我们已经了解了：

• 一个请求是怎么被服务器解析的？
• 浏览器和服务器到底在'说什么'？
• GET 和 POST 的区别是什么？

总而言之，HTTP 不再是黑盒，而只是一个'有规则的字符串协议'。理解这一点，对深入掌握网络编程至关重要。