Linux 网络编程：使用 C++ 实现基于 JSON 和 HTTP 的 Web 计算器服务器

需要注意的是，值可以是任意基本类型，但键必须是字符串类型。

nlohmann/json 库的使用

在 C++ 中，常用的 JSON 库包括 json.hpp（即 nlohmann/json）。它提供的 JSON 对象可被视为一个容器，用于存储要发送或解析的 JSON 数据，并封装了丰富的操作方法。

初始化

json 类最常见的数据类型是对象（object）和数组（array）。初始化一个 json 对象主要有两种方式。

方式一：列表初始化

#include "json.hpp"
#include <iostream>
int main() {
    nlohmann::json j = {{"name", "WZ"}, {"age", 20}, {"gender", "girl"}};
    return 0;
}

方式二：赋值运算符（推荐）

nlohmann::json j;
j["name"] = "wz";
j["age"] = 20;
j["gender"] = "girl";

序列化与反序列化

json 类提供了 dump() 成员函数用于序列化，其返回类型为 std::string。若向 dump() 传递一个整型参数，则输出的字符串会进行格式化缩进。

反序列化方面，json 类提供了静态成员函数 parse()，它接收一个 JSON 格式的字符串，在内部解析后存储到 json 对象中。

#include "json.hpp"
#include <iostream>
int main() {
    std::string s = R"({"name":"WZ","age":18,"is_student":true})";
    nlohmann::json j = nlohmann::json::parse(s);
    std::cout << j["name"] << std::endl;
    return 0;
}

原理简析

json.hpp 库内部维护一个 json 类，该类包含两个核心成员变量：类型变量与值变量。其中，类型变量用于记录当前 json 对象所维护的原始数据类型。值变量被实现为一个联合体，所有类型共用同一内存区域。

enum class value_t {
    null, number_integer, string, array, object
};
class json {
public:
    union internal_value {
        int64_t number_integer;
        std::string* string;
        std::vector<json>* array;
        std::map<std::string, json>* object;
    };
    value_t m_type = value_t::null;
    internal_value m_value;
};

HTTP 协议

引入

HTTP 正是一个应用层的通信协议。要理解 HTTP 的原理，我们首先要从整个通信过程的起点说起，也就是在浏览器输入网址的那一刻。这涉及客户端与服务端之间的通信原理。

URL 与域名

URL（Uniform Resource Locator，统一资源定位符）通常由以下几个部分组成：协议、域名、端口、路径、查询参数和片段。

例如：https://www.example.com:443/music/list?id=1024&type=pop#comment

域名通过 DNS 服务转换为 IP 地址。DNS 解析过程包括本地缓存、hosts 文件、本地 DNS 服务器以及根域名服务器的迭代查询。

HTTP 请求报文

HTTP 请求报文可由三部分或四部分构成，包括请求行、请求头、空行和可选的请求正文。

请求行：由请求方法、URL 和协议版本三部分组成。

请求头：由多行键值对组成，每行以回车换行符结束。常见字段包括 Host、User-Agent、Accept 等。

HTTP 响应报文

响应报文的格式与请求报文高度对称，也由四部分组成，分别是响应行、响应头、空行和响应正文。

响应行：由协议版本、状态码和状态描述组成。状态码首位数字为 1~5，分别对应不同的状态类别（信息性、成功、重定向、客户端错误、服务器错误）。

HTTP 服务器实现

架构设计

本次使用 C++ 编写 Web 服务器，借助 C++ 的面向对象特性，将服务器抽象为一个对象，用 Httpserver 类进行描述。将上述固定流程——即系统接口的调用——封装到 Httpserver 类的成员函数中。

此外，我们将 socket 相关操作封装到一个专门的 sock 类中。该类维护一个文件描述符，并提供 socket、bind 等方法。同时采用 RAII 思想，将套接字的生命周期交由 sock 类管理。

线程池与任务处理

服务端会持续收到完成 TCP 三次握手的新连接，为了避免频繁创建和销毁线程带来的开销，这里引入线程池。线程池维护一个任务缓冲区与一组消费者线程。我们定义一个 Task 任务对象，其中包含一个 run 方法，该方法封装了通信处理逻辑。

class threadpool {
public:
    static threadpool& getinstance() {
        static threadpool instance;
        return instance;
    }
    void start() {
        for(int i = 0; i < Max_size; i++) {
            pthread_t tid;
            pthread_create(&tid, NULL, handletask, this);
        }
    }
    // ... pop, push methods ...
private:
    std::vector<Task> q;
    int Max_size;
    pthread_mutex_t mutex;
    sem_t element;
    sem_t space;
};

请求解析与处理

由于 HTTP 协议基于 TCP 协议，整个通信的第一个环节便是读取客户端发来的请求报文。TCP 协议是面向字节流的，这意味着读取报文时以字节为单位，可能导致一次读取仅得到报文的一部分。

我们需要依据 HTTP 请求报文的格式进行解析。HTTP 请求报文由四个部分组成。其中，请求头结束后会有一个空行，而请求头最后一行末尾带有回车换行符（CRLF），与空行共同构成连续的两个 CRLF（即 \r\n\r\n）。

bool Get_HttpRequest(size_t socketfd, Http_Request& hr) {
    std::string data;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    while(true) {
        ssize_t read_bytes = recv(socketfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0);
        if(read_bytes <= 0) return false;
        data.append(buffer, read_bytes);
        if(data.find("\r\n\r\n") != std::string::npos) break;
    }
    // ... 解析逻辑 ...
    return hr.Deserialization(head);
}

成功获取完整 TCP 报文段并反序列化后，各字段将解析并存储到一个 http_request 对象中。后续逻辑进入业务分发阶段。系统依据 method 字段判断请求类型：若为 GET 方法，则优先尝试静态资源映射；若为 POST 方法，则触发动态业务逻辑处理。

GET 请求处理

GET 请求通常用于从服务器获取静态资源，即文件。在此上下文中，URL 对应于服务器文件系统下的一个相对路径。

std::string Http_Get_Handler(Http_Request& hr) {
    std::string file_path;
    std::string content_type;
    // ... 判断是否为首页 ...
    if(hr.url == "/" || hr.url == "/index.html") {
        file_path = path + "/index.html";
        content_type = "text/html";
    } else {
        file_path = path + hr.url;
        // ... 根据后缀确定 MIME 类型 ...
    }
    std::string body = read_file(file_path);
    // ... 构建响应报文 ...
    return res;
}

POST 请求处理

POST 请求会携带请求正文，并且其请求行中的 URL 是一个虚拟路径，用于映射到服务器预定义的函数。本示例设定为一个计算器功能。

std::string Http_Post_Handler(Http_Request& hr) {
    std::unordered_map<std::string, std::string> val;
    // ... 解析请求体 ...
    if(hr.url == "/calc") {
        // ... 执行计算 ...
        int calc_result;
        if(process_calculation(val, calc_result)) {
            // ... 构建成功响应 ...
        }
    }
    return res;
}

主函数入口

服务器运行于 Linux 环境，通常通过命令行启动进程，配置信息可通过命令行参数传递。

int main(int argc, char* argv[]) {
    if(argc != 2) {
        usage(argv[0]);
        exit(-1);
    }
    uint16_t port = std::stoi(argv[1]);
    Httpserver hs(_default, port);
    hs.init();
    hs.start();
    return 0;
}

结语

本文详细讲解了 C++ 环境下 JSON 序列化与反序列化的原理及 nlohmann/json 库的使用，深入剖析了 HTTP 协议结构、请求响应报文格式及 GET/POST 方法区别。在此基础上，通过封装 Socket 类、线程池及任务处理机制，从零实现了支持静态资源访问与动态计算功能的 Web 服务器核心逻辑，涵盖了 TCP 连接管理、数据解析及文件读写等关键技术点。