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# libhttp — C++20 HTTP / WebSocket 网络库
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## 1. 模块概览
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`libhttp` 是 `micro_servers` 项目的基础网络通信层，封装了 HTTP/HTTPS 服务器、HTTP 客户端（基于 libcurl）、WebSocket 服务器和 WebSocket 客户端四大功能。
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以 C++20 标准编写，编译为动态库 `libus_http.so` 和静态库 `libus_http_static.a`，命名空间 `pmc::net`。
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| 属性 | 值 |
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|----------|-----------------------------|
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| 版本 | 0.0.1 |
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| 语言标准 | C++20 |
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| 许可证 | MIT |
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| 框架名 | `us` |
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| 库名 | `libus_http` |
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| 命名空间 | `pmc::net` |
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**项目角色**：`libhttp` 被 `gateway` 模块和 `core` 模块直接依赖，承担所有入站请求的接收、路由、SSL 卸载和 WebSocket 长连接管理。
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## 2. 文件清单
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```
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libhttp/
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├── .gitignore # 构建产物忽略规则
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├── CMakeLists.txt # CMake 构建 (v3.12+)
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├── LICENSE # MIT License
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├── Makefile # GNU Make 构建
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├── _set.sh # 一键编译安装脚本
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├── inc/us/
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│ ├── HttpClient.hpp # HTTP 客户端 (header-only)
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│ ├── HttpServer.hpp # HTTP/HTTPS 服务器声明
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│ ├── WebSocketClient.hpp # WebSocket 客户端声明
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│ ├── WebSocketClientBase.hpp # WebSocket 客户端抽象基类
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│ └── WebSocketServer.hpp # WebSocket 服务器声明
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└── src/
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├── HttpServer.cpp # HTTP/HTTPS 服务器实现
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├── WebSocketClient.cpp # WebSocket 客户端实现
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└── WebSocketServer.cpp # WebSocket 服务器实现
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```
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## 3. 外部依赖
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| 依赖 | 用途 | 备注 |
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|------------------|-----------------------------------|---------------------------|
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| Boost 1.91+ | Asio (I/O)、Beast (HTTP/WS)、Algorithms | 默认 `BOOST_ROOT=C:/local/boost_1_91_0`，可通过环境变量覆盖 |
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| OpenSSL | TLS/SSL 加密传输 | 通过 Boost.Asio.SSL 调用 |
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| libcurl | HTTP 客户端请求 | 仅 `HttpClient.hpp` 依赖 |
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| pthread (Unix) | 多线程 | CMake 自动链接 |
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| ws2_32 (Windows) | Winsock | CMake 自动链接 |
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## 4. 构建
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### 4.1 GNU Make
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```bash
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# 编译 (仅 HttpServer.o → libus_http.so)
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make
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# 清理
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make clear
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# 安装到 /lib 和 /usr/include/us/
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make install
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# 卸载
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make uninstall
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```
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> **注意**：Makefile 第 17 行默认只链接 `HttpServer.o`。如需 WebSocket 支持，需取消注释 `WebSocketServer.o` 和 `WebSocketClient.o`。
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### 4.2 CMake
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```bash
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mkdir build && cd build
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cmake .. -DBOOST_ROOT=/path/to/boost
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cmake --build .
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cmake --install . --prefix /usr/local
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```
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CMake 会同时产出 `libus_http.so` (动态) 和 `libus_http_static.a` (静态)。
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### 4.3 一键脚本
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```bash
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bash _set.sh # make clear → make → make install
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```
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## 5. API 参考
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### 5.1 HttpServer — HTTP/HTTPS 服务器
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**头文件**: `<us/HttpServer.hpp>`
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**实现**: `src/HttpServer.cpp`
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#### 5.1.1 类型别名
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```cpp
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using HttpRequestHandler = std::function<http::response<http::string_body>(
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const http::request<http::string_body>& req,
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const std::unordered_map<std::string, std::string>& params)>;
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using MiddlewareHandler = std::function<bool(
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const http::request<http::string_body>& req,
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http::response<http::string_body>& res,
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||
const std::unordered_map<std::string, std::string>& params)>;
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```
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- **`HttpRequestHandler`**: 路由处理函数，接收 Boost.Beast 请求对象和已解析的查询参数，返回 HTTP 响应。
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- **`MiddlewareHandler`**: 中间件函数，返回 `false` 表示拦截（短路后续处理），`true` 表示放行。
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#### 5.1.2 构造函数
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| 签名 | 说明 |
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|----------------------------------------------------------------------------------------|------------------------|
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| `HttpServer(address, port, threads = 1)` | 纯 HTTP 模式 |
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| `HttpServer(address, port, cert_file, key_file, threads = 1)` | HTTPS 模式（自动启用 SSL） |
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- `address`: 监听地址，如 `"0.0.0.0"`
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- `port`: 监听端口
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- `threads`: 工作线程数（即 `io_context` 线程池大小）
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- `cert_file` / `key_file`: PEM 格式证书和私钥路径
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#### 5.1.3 路由注册
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```cpp
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void get(const std::string& path, HttpRequestHandler handler);
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void post(const std::string& path, HttpRequestHandler handler);
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void put(const std::string& path, HttpRequestHandler handler);
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void del(const std::string& path, HttpRequestHandler handler);
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void options(const std::string& path, HttpRequestHandler handler);
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void use(MiddlewareHandler middleware);
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```
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- 路径支持通配符：`*` (任意字符) 和 `?` (单个字符)，自动编译为 `std::regex`（大小写不敏感）。
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- 匹配优先级：精确匹配 > 通配符匹配。
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- 请求方法字符串对应：`"GET"`, `"POST"`, `"PUT"`, `"DELETE"`, `"OPTIONS"`。
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#### 5.1.4 中间件
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```cpp
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void use(MiddlewareHandler middleware);
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```
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中间件在路由匹配之前执行，按注册顺序依次调用。任意中间件返回 `false` 时，请求处理结束，响应直接返回客户端。
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#### 5.1.5 静态文件服务
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```cpp
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void setStaticDirectory(const std::string& path);
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```
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设置静态资源根目录。当请求路径未匹配任何路由时，自动尝试从该目录读取文件。支持 MIME 类型自动识别：`.html`, `.css`, `.js`, `.json`, `.png`, `.jpg/.jpeg`。
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#### 5.1.6 OPTIONS 预检请求
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当收到 `OPTIONS` 请求时：
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1. 优先查找自定义 `OPTIONS` 路由处理器
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2. 若未注册自定义处理器且请求包含 `Origin` 头，自动生成 CORS 响应
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- 自动检测该路径下已注册的方法（GET/POST/PUT/DELETE/OPTIONS）
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- 返回 `Access-Control-Allow-Origin`, `Access-Control-Allow-Methods`, `Access-Control-Allow-Headers`, `Access-Control-Max-Age`
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#### 5.1.7 SSL 配置
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```cpp
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void setPrivateKeyPassword(const std::string& password);
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```
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- SSL 上下文使用 TLS 协议，禁用 SSLv2/SSLv3
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- 仅允许 ECDHE/DHE 密钥交换的强密码套件：`ECDHE+AESGCM:ECDHE+CHACHA20:DHE+AESGCM:DHE+CHACHA20:!aNULL:!MD5:!DSS`
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- 支持 PEM 加密私钥密码
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#### 5.1.8 生命周期
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```cpp
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void start(); // 启动服务器（非阻塞，线程池跑 io_context）
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void stop(); // 停止服务器（关闭所有会话，join 线程）
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void run(); // 启动并在当前线程运行 io_context（阻塞）
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bool isRunning() const;
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```
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#### 5.1.9 调试
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```cpp
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void showStatus() const; // 打印服务器状态和已注册路由
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```
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内嵌类 `HttpServer::debug` 提供 `print_all_header_fields()` 静态方法，打印请求的全部头字段。
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#### 5.1.10 内部架构
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```
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HttpServer
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├── Listener (内部类)
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│ └── acceptor_ (tcp::acceptor)
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│ └── async_accept → Session 实例
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└── Session (内部类，enable_shared_from_this)
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├── HTTP: socket_ (tcp::socket)
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├── HTTPS: ssl_stream_ (asio::ssl::stream<tcp::socket>)
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├── strand_ 保证线程安全
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└── 读取 → handleRequest() → 写入 → [keep-alive 则继续读取]
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```
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### 5.2 HttpClient — HTTP 客户端
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**头文件**: `<us/HttpClient.hpp>` (header-only，无独立 .cpp)
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**依赖**: libcurl
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#### 5.2.1 枚举 `HttpMethod`
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```cpp
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enum class HttpMethod { GET, POST, PUT, DELETE, PATCH, HEAD, OPTIONS };
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```
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#### 5.2.2 公共方法
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```cpp
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HttpClient(); // 初始化 CURL 句柄，失败抛 runtime_error
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~HttpClient(); // 清理 CURL 和 header 链表
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void set_header(const std::string& header);
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void clear_headers();
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const std::map<std::string, std::string>& get_response_headers() const;
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long get_response_code() const;
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```
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流式请求（通过回调函数接收响应体，保留原始字节）：
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```cpp
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void request_stream_sync(HttpMethod method, const std::string& url,
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const std::string& data,
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std::function<void(const std::string&)> callback);
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// 便捷方法
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void get_stream_sync(const std::string& url, std::function<void(const std::string&)> callback);
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void post_stream_sync(const std::string& url, const std::string& data,
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||
std::function<void(const std::string&)> callback);
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||
void put_stream_sync(const std::string& url, const std::string& data,
|
||
std::function<void(const std::string&)> callback);
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||
void delete_stream_sync(const std::string& url, std::function<void(const std::string&)> callback);
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```
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**特点**：
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- 同步阻塞调用
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- 响应体通过 `CURLOPT_WRITEFUNCTION` 直接追加到 `std::string`，**保留所有换行符和特殊字符**
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- 超时设置：连接超时 10 秒，总超时 30 秒
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- 每次请求调用 `curl_easy_reset` 重置状态
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### 5.3 WebSocketServer — WebSocket 服务器
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**头文件**: `<us/WebSocketServer.hpp>`
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**实现**: `src/WebSocketServer.cpp`
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#### 5.3.1 回调类型
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```cpp
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using WebSocketMessageHandler = std::function<void(
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const std::string& clientId,
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const std::string& message,
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std::function<void(const std::string&)> sendCallback)>;
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||
using WebSocketConnectHandler = std::function<void(
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||
const std::string& clientId, const std::string& remoteAddress)>;
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||
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||
using WebSocketDisconnectHandler = std::function<void(
|
||
const std::string& clientId)>;
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```
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#### 5.3.2 公共接口
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```cpp
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WebSocketServer(unsigned short port, unsigned int threads = 2);
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~WebSocketServer();
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void start();
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void stop();
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bool isRunning() const;
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unsigned short getPort() const;
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// 事件注册
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void onMessage(const std::string& path, WebSocketMessageHandler handler);
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void onConnect(WebSocketConnectHandler handler);
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void onDisconnect(WebSocketDisconnectHandler handler);
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// 消息/客户端管理
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bool sendToClient(const std::string& clientId, const std::string& message);
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size_t broadcast(const std::string& message);
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void disconnectClient(const std::string& clientId);
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size_t getClientCount() const;
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```
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**特点**：
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- PIMPL 模式：内部实现封装于 `Impl` 结构体
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- 每个 `Session` 包含一个发送队列 (`std::deque<std::string>`)，保证消息顺序
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- 客户端 ID 由全局原子计数器自动生成，格式 `"client_N"`
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- 线程安全：客户端列表受 `clientsMutex_` 保护
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- 消息处理器支持路径路由（按 `path` 键索引）
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**内部架构**：
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```
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WebSocketServer
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├── Impl
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│ ├── io_context
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│ ├── Listener (内部类) → tcp::acceptor
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│ └── threads_
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└── Session (内部类，enable_shared_from_this)
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├── websocket::stream<beast::tcp_stream>
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├── sendQueue_ (std::deque)
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└── 读取循环 → onMessage 回调 → sendCallback 写回
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```
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### 5.4 WebSocketClient — WebSocket 客户端
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**头文件**: `<us/WebSocketClient.hpp>`, `<us/WebSocketClientBase.hpp>`
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**实现**: `src/WebSocketClient.cpp`
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#### 5.4.1 抽象基类 `WebSocketClientBase`
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定义统一接口：
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```cpp
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using MessageCallback = std::function<void(const std::string&)>;
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using ErrorCallback = std::function<void(const std::string&)>;
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using ConnectCallback = std::function<void(bool)>;
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using CloseCallback = std::function<void()>;
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// 回调设置
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virtual void setMessageCallback(MessageCallback) = 0;
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virtual void setErrorCallback(ErrorCallback) = 0;
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virtual void setConnectCallback(ConnectCallback) = 0;
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virtual void setCloseCallback(CloseCallback) = 0;
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||
// 连接管理
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virtual bool connect(int timeout_ms = 5000) = 0;
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virtual void disconnect() = 0;
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virtual bool isConnected() const = 0;
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||
// 消息发送
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virtual bool send(const std::string& message) = 0;
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virtual bool sendBinary(const void* data, size_t size) = 0;
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// 配置
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virtual void setAutoReconnect(bool enable, int interval_ms = 3000) = 0;
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virtual void setHeartbeatInterval(int interval_ms = 30000) = 0;
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||
// SSL 相关（纯虚函数，非 SSL 版本忽略参数）
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virtual bool isSecure() const = 0;
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virtual void setVerifyCertificate(bool verify) = 0;
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virtual void setCertificateFile(const std::string& cert_file) = 0;
|
||
virtual void setPrivateKeyFile(const std::string& key_file) = 0;
|
||
virtual void setCertificateAuthorityFile(const std::string& ca_file) = 0;
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||
```
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#### 5.4.2 公共接口
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```cpp
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WebSocketClient(const std::string& host, const std::string& port,
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const std::string& path = "/");
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~WebSocketClient();
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```
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**特点**：
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- PIMPL 模式：`Impl` 结构体封装所有 Boost 对象和状态
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- 构造时自动启动 IO 线程
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- 异步连接流程：`resolve → connect → WebSocket handshake`
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- 发送队列受 `std::mutex` 和 `std::condition_variable` 保护
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||
- 自动重连：`onError` 或 `onClose` 中若 `auto_reconnect=true` 则自动发起重连
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||
- 非 SSL 版本：`isSecure()` 返回 `false`，SSL 配置方法为空实现
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- `sendBinary` 将二进制数据包装为 `std::string` 后调用 `send`
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## 6. 使用示例
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### 6.1 基本 HTTP 服务器
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```cpp
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#include <us/HttpServer.hpp>
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#include <iostream>
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int main() {
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pmc::net::HttpServer server("0.0.0.0", 8080, 4);
|
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|
||
server.get("/hello", [](const auto& req, const auto& params) {
|
||
http::response<http::string_body> res{http::status::ok, req.version()};
|
||
res.set(http::field::content_type, "text/plain");
|
||
res.body() = "Hello, world!";
|
||
res.prepare_payload();
|
||
return res;
|
||
});
|
||
|
||
server.post("/echo", [](const auto& req, const auto& params) {
|
||
http::response<http::string_body> res{http::status::ok, req.version()};
|
||
res.set(http::field::content_type, "application/json");
|
||
res.body() = req.body();
|
||
res.prepare_payload();
|
||
return res;
|
||
});
|
||
|
||
server.start(); // 非阻塞启动
|
||
std::cout << "Server running on port " << server.getPort() << std::endl;
|
||
server.isRunning(); // 阻塞直到手动 stop()
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||
}
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||
```
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||
### 6.2 HTTPS 服务器
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||
```cpp
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||
pmc::net::HttpServer server("0.0.0.0", 443,
|
||
"/etc/ssl/certs/server.crt",
|
||
"/etc/ssl/private/server.key",
|
||
4);
|
||
server.setPrivateKeyPassword("mysecret");
|
||
server.start();
|
||
```
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||
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||
### 6.3 中间件 + 静态文件
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||
```cpp
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||
pmc::net::HttpServer server("0.0.0.0", 8080);
|
||
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||
// 日志中间件
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||
server.use([](const auto& req, auto&, const auto&) {
|
||
std::cout << "[" << req.method_string() << "] " << req.target() << std::endl;
|
||
return true; // 继续处理
|
||
});
|
||
|
||
// 认证中间件
|
||
server.use([](const auto& req, auto& res, const auto&) {
|
||
auto auth = req.find(http::field::authorization);
|
||
if (auth == req.end()) {
|
||
res.result(http::status::unauthorized);
|
||
res.body() = "Unauthorized";
|
||
res.prepare_payload();
|
||
return false; // 拦截
|
||
}
|
||
return true;
|
||
});
|
||
|
||
server.setStaticDirectory("/var/www/html");
|
||
server.start();
|
||
```
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||
### 6.4 HTTP 客户端
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||
```cpp
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||
pmc::net::HttpClient client;
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client.set_header("Authorization: Bearer token123");
|
||
client.set_header("Content-Type: application/json");
|
||
|
||
client.post_stream_sync("https://api.example.com/data",
|
||
R"({"key":"value"})",
|
||
[](const std::string& body) {
|
||
std::cout << "Response: " << body << std::endl;
|
||
});
|
||
|
||
long status = client.get_response_code();
|
||
auto& headers = client.get_response_headers();
|
||
```
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||
|
||
### 6.5 WebSocket 服务器
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||
|
||
```cpp
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||
pmc::net::WebSocketServer ws_server(9000, 2);
|
||
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||
ws_server.onConnect([](const std::string& clientId, const std::string& addr) {
|
||
std::cout << "Client connected: " << clientId << " from " << addr << std::endl;
|
||
});
|
||
|
||
ws_server.onMessage("/chat", [&ws_server](const std::string& clientId,
|
||
const std::string& message,
|
||
auto sendCallback) {
|
||
std::cout << "[" << clientId << "]: " << message << std::endl;
|
||
ws_server.broadcast(clientId + ": " + message);
|
||
});
|
||
|
||
ws_server.onDisconnect([](const std::string& clientId) {
|
||
std::cout << "Client disconnected: " << clientId << std::endl;
|
||
});
|
||
|
||
ws_server.start();
|
||
```
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||
|
||
### 6.6 WebSocket 客户端
|
||
|
||
```cpp
|
||
pmc::net::WebSocketClient ws_client("localhost", "9000", "/chat");
|
||
|
||
ws_client.setConnectCallback([](bool success) {
|
||
std::cout << (success ? "Connected!" : "Failed!") << std::endl;
|
||
});
|
||
|
||
ws_client.setMessageCallback([](const std::string& msg) {
|
||
std::cout << "Received: " << msg << std::endl;
|
||
});
|
||
|
||
ws_client.setAutoReconnect(true, 3000);
|
||
ws_client.connect();
|
||
|
||
// 阻塞主线程保持连接
|
||
while (ws_client.isConnected()) {
|
||
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
|
||
}
|
||
```
|
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## 7. 请求处理流程
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客户端 → TCP 连接
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├─ HTTP: Session::doRead()
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└─ HTTPS: Session::doSSLHandshake() → Session::doRead()
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↓
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HttpServer::handleRequest(req)
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├─ 解析 target_path + query params
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├─ 执行中间件链 (MiddlewareHandler[])
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│ └─ 任意中间件返回 false → 短路返回
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├─ OPTIONS 请求?
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│ ├─ 有自定义处理器 → 执行
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│ └─ 有 Origin → 自动生成 CORS 响应
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├─ 路由匹配 (精确匹配 → 通配符匹配)
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│ └─ 命中 → 执行 HttpRequestHandler
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├─ 路由未命中 + static_directory_ 非空
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│ └─ 尝试读取静态文件 → 自动设 Content-Type
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└─ 全部未命中 → 404
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## 8. 设计要点
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### 8.1 线程模型
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- **HttpServer**: 每个工作线程独立运行 `io_context::run()`，所有异步操作通过 `strand` 序列化，同一 Session 的读写不会并发冲突
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- **WebSocketServer**: 同 HttpServer，工作线程池跑 `io_context`
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- **WebSocketClient**: 单 IO 线程，所有异步回调在该线程中执行
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- **HttpClient**: 同步阻塞，无额外线程
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### 8.2 PIMPL 模式
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`WebSocketClient` 和 `WebSocketServer` 使用 PIMPL 隐藏 Boost 依赖，保持头文件轻量。
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### 8.3 会话管理
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- `HttpServer` 通过 `weak_ptr<Session>` 跟踪所有活跃会话，`stop()` 时遍历清理
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- `WebSocketServer` 通过 `unordered_map<string, shared_ptr<Session>>` + mutex 管理
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### 8.4 发送队列
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`WebSocketServer::Session` 和 `WebSocketClient::Impl` 均采用 `std::deque` 消息队列，确保消息按序发送且不会因并发写入冲突。
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## 9. 安全特性
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| 特性 | 实现位置 |
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| SSL/TLS 加密 | HttpServer SSL 构造函数 |
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| 禁止 SSLv2/SSLv3 | `initSSLContext()` |
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| 仅强密码套件 (ECDHE/DHE) | `initSSLContext()` 密码列表 |
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| 禁用 NULL/MD5/DSS | `initSSLContext()` 密码列表 |
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| 加密私钥密码支持 | `setPrivateKeyPassword()` |
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| CORS 自动处理 | `handleRequest()` OPTIONS 分支 |
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## 10. 与其他模块的关系
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micro_servers/
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├── gateway/ ──依赖──→ libhttp (HttpServer 接收外部请求)
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├── core/ ──依赖──→ libhttp (HTTP 服务基础能力)
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└── libhttp/ ──依赖──→ Boost, OpenSSL, libcurl
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- **gateway** 使用 `pmc::net::HttpServer` 作为 API 网关入口，处理 JWT 认证、令牌刷新、请求转发
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- **core** 模块使用 libhttp 提供的 HTTP 服务能力
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## 11. 已知限制
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1. **Makefile 默认不编译 WebSocket**：第 17 行仅链接 `HttpServer.o`，需手动启用
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2. **WebSocketClient 无 SSL 实现**：当前仅有非加密版本；SSL 接口已声明但为空实现
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3. **无 HTTP/2 支持**：仅 HTTP/1.1
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4. **静态文件 MIME 有限**：仅支持 6 种常见类型
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5. **无请求体大小限制**：依赖 Boost.Beast 默认配置
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6. **HttpClient 仅同步**：无异步 HTTP 客户端实现
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