C++ 实现基于 JSON 和 HTTP 协议的 Web 计算器服务器

原理简述

json 类内部维护类型变量与联合体值变量。基本类型直接存储值，复杂类型存储指针。通过重载 operator[] 和类型转换运算符实现灵活访问。

HTTP 协议详解

HTTP 是应用层通信协议，基于 TCP 传输。客户端与服务端通过请求报文和响应报文交互。

URL 结构

URL 包含协议、域名、端口、路径、查询参数和片段。例如：https://www.example.com:443/music/list?id=1024。

域名解析

域名需转换为 IP 地址才能通信。过程涉及本地缓存、hosts 文件、本地 DNS 服务器及根/顶级/权威域名服务器的迭代查询。

HTTP 请求报文

由请求行、请求头、空行和可选的请求正文组成。

请求行示例：

POST /api/login HTTP/1.1
Host: www.example.com
User-Agent: Mozilla/5.0
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded
Content-Length: 27
Connection: keep-alive

username=admin&password=123456

常见请求方法：

HTTP 响应报文

由响应行、响应头、空行和响应正文组成。

状态码分类：

• 1xx: 信息性
• 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)

Web 服务器实现

架构设计

服务器框架遵循固定模式：创建监听套接字 -> 绑定 IP 端口 -> 监听 -> 接受连接 -> 处理请求。

封装了 sock 类管理 Socket 生命周期，使用 RAII 思想自动释放资源。

class sock {
public:
    sock(): socketfd(-1) {}
    ~sock() { if(socketfd >= 0) ::close(socketfd); }
    void socket();
    void bind(std::string ip, uint16_t port);
    void listen();
    int accept(struct sockaddr_in* client, socklen_t* clientlen);
    // ... 其他方法
private:
    int socketfd;
};

线程池与任务调度

为避免频繁创建销毁线程的开销，引入线程池。主线程接收连接后构造 Task 对象放入队列，消费者线程获取任务执行通信逻辑。

HTTP 请求解析

读取完整 TCP 报文段，依据 \r\n\r\n 判断请求头结束。根据 Content-Length 判断是否有请求正文并读取完整数据。

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;
    }
    // 解析头部与正文...
    return hr.Deserialization(head);
}

业务处理

• GET 请求： 映射静态资源。根据 URL 拼接文件路径，读取文件内容，设置 MIME 类型返回。
• POST 请求： 处理动态业务。本例实现计算器功能，解析表单数据，执行计算逻辑。

std::string Http_Post_Handler(Http_Request& hr) {
    if(hr.url == "/calc") {
        // 解析 body 中的键值对
        // 执行计算
        // 返回 HTML 结果页
    }
    return process_bad_request();
}

源码概览

Httpserver.hpp

#pragma once
#include "Socket.hpp"
#include "log.hpp"
#include "Threadpool.h"

class Httpserver {
public:
    Httpserver(std::string _ip = "0.0.0.0", uint16_t _port = 80);
    void init();
    void start();
private:
    uint16_t port;
    std::string ip;
    sock listen_socket;
    bool islistening;
};

Task.hpp

#pragma once
#include <functional>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fstream>
#include <unordered_map>
#include "protocol.hpp"
#include "log.hpp"

class Task {
public:
    Task(int _socketfd); 
    void run();
private:
    int socketfd;
    static std::unordered_map<std::string, std::string> map;
};

protocol.hpp

#pragma once
#include "log.hpp"
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <sstream>
#include <unordered_map>

class Http_Request {
public:
    bool Deserialization(std::string& head);
    void debugprint();
    std::unordered_map<std::string, std::string> headers;
    std::string text;
    std::string method;
    std::string url;
    std::string http_version;
};

log.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <stdarg.h>

class log {
private:
    std::string memssage;
    int method;
public:
    log(int _method = screen);
    void logmessage(int leval, const char* format, ...);
};
extern log lg;

main.cpp

#include "Httpserver.hpp"
#include "log.hpp"
#include <string>

void usage(std::string progmaname) {
    std::cout << "usage wrong: " << progmaname << " <port>" << std::endl;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if(argc != 2) {
        usage(argv[0]);
        exit(-1);
    }
    uint16_t port = std::stoi(argv[1]);
    Httpserver hs("0.0.0.0", port);
    hs.init();
    hs.start();
    return 0;
}