C++ 手搓 JSON+HTTP Web 服务器实战指南

底层原理简析

json.hpp 内部维护一个 json 类，包含类型变量和联合体形式的值变量。基本类型直接存储值，复杂类型存储指针以减少内存占用。构造函数根据输入决定类型，operator[] 重载则提供了类似哈希表或 Vector 的访问体验，支持自动扩容和隐式类型转换。

HTTP 协议详解

HTTP 是应用层通信协议，基于 TCP 实现。理解其报文结构是构建 Web 服务器的关键。

URL 与域名解析

URL（统一资源定位符）包含协议、域名、端口、路径等信息。浏览器通过 DNS 服务将域名解析为 IP 地址，这是网络通信的第一步。DNS 查询涉及本地缓存、Hosts 文件及根域名服务器迭代查询。

请求与响应报文

HTTP 请求报文由请求行、请求头、空行和可选的请求正文组成。响应报文结构类似，包含响应行、响应头、空行和响应正文。

请求方法

常见的请求方法包括 GET（获取资源）、POST（提交数据）、PUT（更新）、DELETE（删除）等。实际开发中，GET 和 POST 最为常用。

• GET：通常不带请求正文，数据放在 URL 查询参数中。适合非敏感信息查询。
• POST：携带请求正文，适合提交表单、上传文件等敏感或大量数据。

状态码

响应行的状态码指示请求结果：

• 2xx：成功（如 200 OK）
• 3xx：重定向（如 301, 302）
• 4xx：客户端错误（如 404 Not Found）
• 5xx：服务器错误（如 500 Internal Server Error）

Cookie 与会话

HTTP 是无状态的。为了保持用户登录状态，服务器通过 Set-Cookie 响应头下发 Session ID，客户端后续请求携带 Cookie 头，从而实现会话管理。

Web 服务器实战

基于上述理论，我们使用 C++ 实现一个简单的 Web 服务器，提供静态资源服务和计算器功能。

架构设计

服务器采用面向对象设计，核心类包括 Httpserver（主逻辑）、sock（Socket 封装）、Task（任务处理）以及线程池。

1. Socket 封装：sock 类封装了 socket、bind、listen、accept 等系统调用，利用 RAII 机制管理资源生命周期。
2. 线程池：为避免频繁创建销毁线程的开销，引入线程池处理并发连接。主线程负责 accept 新连接，将任务放入队列，工作线程从队列取任务执行。
3. 请求解析：读取 TCP 流直到遇到 \r\n\r\n 标志位，分离请求头和正文。根据 Content-Length 判断是否读取完整正文。

代码实现要点

Socket 封装示例

class sock {
public:
    void socket() {
        socketfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (socketfd < 0) {
            lg.logmessage(Fatal, "socket error");
            exit(Socket_Error);
        }
        int opt = 1;
        setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt));
    }
    // ... bind, listen, accept 等方法 ...
private:
    int socketfd;
};

请求处理流程

在 run() 函数中，首先调用 Get_HttpRequest 获取完整的 HTTP 请求对象。根据 method 字段分发到不同的处理函数：

void run() {
    Http_Request hr;
    bool get_result = Get_HttpRequest(socketfd, hr);
    if (!get_result) {
        close(socketfd);
        return;
    }
    
    std::string res;
    if (hr.method == "GET") {
        res = Http_Get_Handler(hr); // 处理静态资源
    } else if (hr.method == "POST") {
        res = Http_Post_Handler(hr); // 处理业务逻辑（计算器）
    }
    
    send(socketfd, res.c_str(), res.size(), 0);
    close(socketfd);
}

GET 请求处理

GET 请求主要用于获取静态文件。服务器将 URL 映射到文件系统路径，读取文件内容并构建响应。需注意 MIME 类型的设置，确保浏览器正确解析。

std::string Http_Get_Handler(Http_Request& hr) {
    std::string file_path = path + hr.url;
    // ... 检查文件是否存在 ...
    std::string body = read_file(file_path);
    if (body.empty()) {
        // 返回 404 页面
    } else {
        // 构建 200 OK 响应
    }
    return res;
}

POST 请求处理（计算器）

POST 请求用于提交计算任务。解析请求正文中的键值对（如 a=10&op=+&b=20），执行计算后返回 HTML 结果页。

std::string Http_Post_Handler(Http_Request& hr) {
    if (hr.url != "/calc") {
        return process_bad_request();
    }
    // 解析正文...
    int calc_result;
    if (process_calculation(val, calc_result)) {
        // 构建成功响应
    } else {
        return process_bad_request();
    }
    return res;
}

运行与测试

编译并启动服务器，指定端口号。使用浏览器访问 http://localhost:端口 即可看到首页。点击表单提交计算请求，验证后端逻辑是否正确响应。

总结

本文详细讲解了 JSON 序列化与反序列化的原理及 C++ 实现，深入剖析了 HTTP 协议的报文结构与交互流程，并最终结合 Socket 编程与线程池技术，从零构建了一个具备静态资源服务和动态计算功能的 Web 服务器。掌握这些底层知识，有助于深入理解网络编程的本质，为开发高性能网络应用打下坚实基础。