使用 C++ 结合 JSON 与 HTTP 协议实现 Web 计算器服务器

原理简述

json 类内部维护类型变量与值变量（联合体）。基本类型直接存储，复杂类型存储指针。构造函数根据输入决定类型（对象或数组），利用 std::initializer_list 进行初始化。operator[] 重载用于访问键值对或数组索引，支持自动扩容和类型转换。

HTTP 协议基础

HTTP 是基于 TCP 的应用层协议，定义了请求与响应报文的格式。

URL 与域名

URL 包含协议、域名、端口、路径等。域名通过 DNS 解析为 IP 地址。DNS 查询涉及本地缓存、Hosts 文件及根域名服务器迭代查询。

HTTP 报文结构

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：方法、URL、协议版本。
• 常见方法：
  • GET：获取资源，无 Body。
  • POST：提交数据，有 Body。
• 请求头：Host, User-Agent, Content-Type 等。

响应报文

由响应行、响应头、空行和响应正文组成。

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

Session 与 Cookie

HTTP 是无状态的。通过 Set-Cookie 字段下发 Session ID，客户端后续请求携带 Cookie 字段以维持会话状态。

Web 服务器实现

架构设计

使用 C++ 面向对象封装 Socket 操作，采用线程池处理并发连接。

Socket 封装

封装 socket, bind, listen, accept 等系统调用，管理文件描述符生命周期。

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

线程池

主线程接收连接后，将任务放入队列，工作线程从队列获取并执行。

请求处理流程

1. 读取请求：循环 recv 直到遇到 `

。 2. **解析请求**：分离请求行、头部和正文。处理 POST 的 Content-Length。 3. **业务分发**：根据 Method (GET/POST) 调用不同处理器。 4. **构建响应**：生成状态行、头部和正文。 5. **发送响应**：send` 数据并关闭连接。

核心代码模块

请求解析

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;
    }
    // 进一步解析 Head 和 Body...
    return hr.Deserialization(head);
}

GET 请求处理（静态资源）

映射 URL 到文件系统路径，读取文件内容，设置正确的 MIME Type。

std::string Http_Get_Handler(Http_Request& hr) {
    std::string file_path = path + hr.url;
    std::string body = read_file(file_path);
    if(body.empty()) {
        // 返回 404
    } else {
        // 返回 200 OK
    }
    return res;
}

POST 请求处理（计算器）

解析表单数据，执行计算逻辑，返回 HTML 结果页。

std::string Http_Post_Handler(Http_Request& hr) {
    if(hr.url == "/calc") {
        // 解析 body: a=1&op=+&b=2
        // 计算结果
        // 返回 200 OK 及 HTML
    }
    return process_bad_request();
}

运行说明

编译链接后，命令行指定端口启动服务器。

./server 8080

总结

本文详细讲解了 JSON 与 HTTP 协议原理，并通过 C++ 实现了具备静态资源服务和动态计算功能的 Web 服务器。涵盖了 Socket 编程、线程池、日志记录及文件 IO 等核心技术点，适合深入理解网络编程底层机制。