boost库中优秀的网络库asio

Posted 2022-08-31 森明帮大于黑虎帮

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了boost库中优秀的网络库asio相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

一、须知
二、ASIO
三、我们将从研究同步操作开始
四、当使用异步操作时，会发生不同的事件序列
五、Proactor模型
六、常用内容
七、C++ 建立本地网络服务器（Boost.Asio库）
- - 1.服务器用例
八、简易并发服务器类
总诉

一、须知

开发大型项目，肯定需要使用一些框架，这些框架可以由你自己亲自手工实现，也可以直接引用第三方库。

1、自己实现框架
优点：程序的所有细节都能非常清楚的掌握。
缺点：工作量大、难度高。

2、引用第三方库
优点：选择一个稳定、靠谱的第三方框架，将很大程度降低工作量、提高开发效率，将精力重点放在业务逻辑。
缺点：库本身有功能和性能问题。

因此，请尽量使用优秀的第三方库，避免重复造轮子（自己造的轮子问题频发）。

二、ASIO

asio 是boost库中优秀的网络库。asio是一个异步的io库，支持以同步或异步的方式处理事件，也可以用于基于tcp或udp的网络通信。

（1）可移植到windows、linux、FreeBSD。
（2）可扩展性。
（3）效率很高。
（4）易使用，类 Socket API 编程模型。

支持同步、异步通信方式。

三、我们将从研究同步操作开始

asio可以进行io对象（比如socket套接字）进行同步操作和异步操作。在使用Asio之前，对Asio的各个部分、你的程序以及它们是如何一起工作的有个概念的了解是很有用的。作为一个介绍性的例子，让我们考虑一下在套接字上执行连接操作时会发生什么。

你的程序至少会有一个I/O执行上下文，比如asio::io_context对象，asio::thread_pool对象，或者asio::system_context。这个I/O执行上下文表示程序到操作系统I/O服务的链接。

asio::io_context io_context;

要执行I/O操作，你的程序需要一个I/O对象，比如一个TCP套接字:

asio::ip::tcp::socket socket(io_context);

当执行同步连接操作时，会发生以下事件序列:

你的程序通过调用I/O对象来启动连接操作

socket.connect(server_endpoint);

I/O对象将请求转发给I/O执行上下文。
I/O执行上下文调用操作系统来执行连接操作。
操作系统将操作的结果返回给I/O执行上下文。
I/O执行上下文将操作产生的任何错误转换为asio::error_code类型的对象。error_code可以与特定的值进行比较，或者作为布尔值进行比较(如果结果为假，则表示没有发生错误)。然后将结果转发回I/O对象。
如果操作失败，I/O对象会抛出一个asio::system_error类型的异常。如果初始化操作的代码被写成:

asio::error_code ec;
socket.connect(server_endpoint, ec);

然后error_code变量ec将被设置为操作的结果，并且不会抛出异常。

四、当使用异步操作时，会发生不同的事件序列

你的程序通过调用I/O对象来初始化连接操作

socket.async_connect(server_endpoint, your_completion_handler);

其中your_completion_handler是一个带有签名的函数或函数对象:

void your_completion_handler(const asio::error_code& ec);

所需的确切签名取决于正在执行的异步操作。参考文档指出了每个操作的适当形式。

I/O对象将请求转发给I/O执行上下文。
I/O执行上下文向操作系统发出信号，说明它应该启动异步连接。
操作系统通过将结果放置在一个队列中表示连接操作已经完成，准备由I/O执行上下文获取。
当使用io_context作为I/O执行上下文时，你的程序必须调用io_context::run()(或类似的io_context成员函数)以便检索结果。当有未完成的异步操作时，调用io_context::run()会阻塞，所以你通常会在你开始第一个异步操作时调用它。
在调用io_context::run()时，I/O执行上下文会将操作的结果从队列中取出，转换成一个error_code，然后将其传递给完成处理程序。

五、Proactor模型

各部分内容

— Asynchronous Operation (异步操作)

定义一个异步执行的操作，如Socket异步读写。

Asynchronous Operation Processor (异步操作执行器)

执行一个异步操作，并执行完成事件队列中的队列事件，从更高层次上说，像reactive_socket_service的服务就是一个异步操作处理器。

Completion Event Queue (事件完成队列)

缓存完成事件直到被异步事件分离器弹出队列。

Completion Handler (处理器)

处理异步操作的结果，处理器是函数对象，往往使用bind创建。

Asynchronous Event Demultiplexer (异步事件分离器)

阻塞等待在完成事件队列中事件发生，之后向调用者返回完成事件。

Proactor

调用异步事件信号分离器将事件移出队列，并分配一个关联的处理器(如调用函数对象)，这个功能封装在io_service类中。

Initiator

执行特定程序代码启动异步操作，初始化器通过如basic_stream_socket等高层次接口与异步操作处理器交互，并返回reactive_socket_service等类型的服务代理。

六、常用内容

asio::io_context

asio提供的一个基本的io对象，只有调用其run方法的线程才会被asio调度去执行任务，可以通过post方法添加一个任务。

 asio::io_context main;
    //make_work_guard作用，创建一个executor_work_guard对象，在构造时通知io_context有任务开始，保证run方法不会退出
    //析构时相反，让run方法在没有未完成任务时退出
    auto i = aso::make_work_guard(main);
    another.post([&main]()
    
        std::cout << "111" << std::endl;
        main.post(...)
    );

定时器asio::steady_timer

一个定时器，可以使用同步和异步等待两种方式。

  void callback(const asio::error_code &error)
	    std::cout << 1 << std::endl;
    

    asio::io_context io;
    asio::steady_timer time(io, std::chrono::seconds(3));
    time.wait();    //同步等待，定时器到时继续执行
    time.async_wait(&callback)  //异步等待，到时回调callback

信号集asio::singal_set

信号集，可以注册相应信号的处理事件。

asio::signal_set signal(io, SIGINT, SIGTERM);
	signal.async_wait([&io](const asio::error_code& err, int sig) 
		io.stop();
	);

Tcp通信框架

服务端tcp通信需要通过acceptor接受链接，客户端需要通过resolver解析服务器端口及ip地址。

//服务器注册一个链接接收器acceptor和一个用于tcp通信的socket
    asio::ip::tcp::acceptor acceptor(io, asio::ip::tcp:endpoint(asio::ip::tcp::v4(), 5005));
    asio::ip::tcp::socket socket(io);

    //同步接受链接
    acceptor.accept(socket);
    //异步接受链接
    acceptor.async_accept(socket, &callback);

    //客户端使用resolver解析ip与端口，并注册与服务器通信的socket
    asio::ip::tcp::resolver resolver(io);
    asio::ip::tcp::socket socket(io);
    /**
     * @ param hostname
     * @ param port
     */
    asio::ip::tcp::resolver::results_type endpoints = resolver.resolve("127.0.0.1", 5005);
    asio::connect(socket, endpoints);

    //socket同步的读写，buffer对象可以接受string、array、vector
    socket.write_some(asio::buffer(msg), error);
    size_t len = socket.read_some(asio::buffer(buf), error);

    //socket异步的读写
    socket.async_write_some(asio::buffer(msg), &callback);
    socket.async_read_some(asio::buffer(buf), &callback);

udp通信

udp无连接，因此只需用resolver解析出对端ip与端口。

//解析对端ip和端口，udp的resolver会返回一个符合名字和端口的list的迭代器
    asio::ip::udp::resolver resolver(io);
    asio::ip::udp::endpoint server_endpoint = *resolver.resolve(asio::ip::udp::v4(), "127.0.0.1", "5005").begin();
    asio::ip::udp::socket socket(io);
    socket.open(asio::ip::udp::v4());

    //服务器创建socket并绑定端口
    asio::ip::udp::socket socket(io, asio::ip::udp::endpoint(asio::ip::udp::v4(), 5005));

    //同步发送与接受数据
    socket.send_to(asio::buffer(msg), server_endpoint);
    asio::ip::udp::endpoint from_endpoint;
    size_t len = socket.receive_from(asio::buffer(buf), from_endpoint);

    //异步发送与接受
    socket.async_send_to(asio::buffer(msg), endpoint, &callback);
    socket.async_receive_from(asio::buffer(buf), from_endpoint, &callback);

test.cpp

#include <asio.hpp>



class tcpServer


;

int main()

    asio::io_context io;

七、C++ 建立本地网络服务器（Boost.Asio库）

今天我们利用Boost库中Asio部分，浅尝网络服务器。此处不做过于深入的开展，为达成学习目的，只做简单的异步并发服务器。本篇代码没有直接引用boost等命名空间，为的是新入门Boost的同学能够更好的了解每个参数在boost的具体命名空间位置，有助于更好的理解boost的布局。

1.服务器用例

我们在做服务器之前，首先细想一下，服务器应具备哪些基本特质。

构建： 一个服务器应该具备被连接的IP地址（网络地址）、可以被访问的Port（端口号）。
聆听： 服务器应该能够实时处理基本的连接请求。
处理： 交互才是目的，可以与客户端实现基本的交互。
异步： 处理客户端的请求时，不会因为客户端的延迟响应而导致程序假死。

1.建造（Build）

电脑里有非常多的端口，而客户端只会把消息传到约定的地址与端口，只有在正确的端口等待，才能接到自己预期的客户。

就好像楼房里有非常多层楼一样，而快递员只会把物品送到约定的楼层，只有在正确的楼层等待，才能达成预期的结果。

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>
 
int main(void) 
	try 
		std::cout << "server start." << std::endl;
		// asio程序必须的io_service对象
		boost::asio::io_service ios;
		// 具体的服务器地址与端口
		boost::asio::ip::tcp::endpoint endpotion(boost::asio::ip::tcp::v4(), 13695);
		// 创建acceptor对象，当前的IPV4作为服务器地址(127.0.0.1 || 0.0.0.0)，接受端口13695的消息.
		boost::asio::ip::tcp::acceptor acceptor(ios, endpotion);
		// 打印当前服务器地址
		std::cout << "addr: " << acceptor.local_endpoint().address() << std::endl;
		// 打印当前服务器端口
		std::cout << "port: " << acceptor.local_endpoint().port() << std::endl;
	
	catch (...) 
		std::cout << "server exceptional." << std::endl;
	
	std::cout << "server end." << std::endl;
	getchar();
	return 0;

2.聆听（Listen）

一个基本的连接，在正常的情况下，应该由客户端发起，服务器应该处于实时监听的状态，因为能接到客户端发起的连接请求，这才是网络操作的根本。

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>
 
int main(void) 
	try 
		std::cout << "server start." << std::endl;
		// asio程序必须的io_service对象
		boost::asio::io_service ios;
		// 具体的服务器地址与端口
		boost::asio::ip::tcp::endpoint endpotion(boost::asio::ip::tcp::v4(), 13695);
		// 创建acceptor对象，当前的IPV4作为服务器地址(127.0.0.1 || 0.0.0.0)，接受端口13695的消息.
		boost::asio::ip::tcp::acceptor acceptor(ios, endpotion);
		// 打印当前服务器地址
		std::cout << "addr: " << acceptor.local_endpoint().address() << std::endl;
		// 打印当前服务器端口
		std::cout << "port: " << acceptor.local_endpoint().port() << std::endl;
 
		// 循环执行服务
		while (true) 
			// 一个临时的socket对象
			boost::asio::ip::tcp::socket socket(ios);
			// 阻塞等待客户端连接，连接成功后返回socket, accept这个函数使用引用来调取socket.
			acceptor.accept(socket);
			// 打印与本机服务器取得连接的客户端IP地址
			std::cout << "client: " << socket.remote_endpoint().address() << std::endl;
		
	
	catch (std::exception& _e) 
		std::cout << "server exceptional." << std::endl;
		std::cout << _e.what() << std::endl;
	
	std::cout << "server end." << std::endl;
	getchar();
	return 0;

3.处理（Operation）

一旦服务器收到客户端发起的连接请求，便为客户端建立服务。与客户端建立连接的目的，始终是为了交互，我们不能本末倒置。我们尝试一下，第一次交互的滋味。

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>
 
int main(void) 
	try 
		std::cout << "server start." << std::endl;
		// asio程序必须的io_service对象
		boost::asio::io_service ios;
		// 具体的服务器地址与端口
		boost::asio::ip::tcp::endpoint endpotion(boost::asio::ip::tcp::v4(), 13695);
		// 创建acceptor对象，当前的IPV4作为服务器地址(127.0.0.1 || 0.0.0.0)，接受端口13695的消息.
		boost::asio::ip::tcp::acceptor acceptor(ios, endpotion);
		// 打印当前服务器地址
		std::cout << "addr: " << acceptor.local_endpoint().address() << std::endl;
		// 打印当前服务器端口
		std::cout << "port: " << acceptor.local_endpoint().port() << std::endl;
 
		// 循环执行服务
		while (true) 
			// 一个临时的socket对象
			boost::asio::ip::tcp::socket socket(ios);
			// 阻塞等待客户端连接，连接成功后返回socket, accept这个函数使用引用来调取socket.
			acceptor.accept(socket);
			// 打印与本机服务器取得连接的客户端IP地址
			std::cout << "client: " << socket.remote_endpoint().address() << std::endl;
 
 
			//处理/
			std::string msg;
			// 阻塞发送作者名称到客户端
			socket.write_some(boost::asio::buffer("hello CSND_Ayo"));
			// 阻塞接收客户端发来的数据
			socket.read_some(boost::asio::buffer(msg));
			// 打印客户端发来的数据
			std::cout << "client reply: " << msg.c_str() << std::endl;
		
	
	catch (std::exception& _e) 
		std::cout << "server exceptional." << std::endl;
		std::cout << _e.what() << std::endl;
	
	std::cout << "server end." << std::endl;
	getchar();
	return 0;

4.异步（Async）

处理客户端的请求时，不会因为客户端的延迟响应而导致程序假死。

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/bind.hpp>
 
// 异步服务器类
class Server 
 
private:
 
	// 服务实例
	boost::asio::io_service& ios_;
 
	// 接收器实例
	boost::asio::ip::tcp::acceptor acceptor_;
 
	// socket智能指针
	typedef boost::shared_ptr<boost::asio::ip::tcp::socket> socket_ptr;
 
public:
 
	Server(boost::asio::io_service& _ios) : ios_(_ios),
		acceptor_(_ios, boost::asio::ip::tcp::endpoint(boost::asio::ip::tcp::v4(), 13695)) 
		// 默认执行
		start();
	
 
	// 启动网络侦听的操作入口
	void start(void) 
		// 自定义的智能指针
		socket_ptr socket(new boost::asio::ip::tcp::socket(ios_));
		// 异步侦听，若有服务连接，则自动调用Server::handler_accept函数，并将error, socket传入作为参数
		acceptor_.async_accept(*socket,
			boost::bind(&Server::accept_handler, this,
			boost::asio::placeholders::error/* 此处作为占位符 */, socket));
	
 
	// 请求者响应后触发的处理器
	void accept_handler(const boost::system::error_code& _ec, socket_ptr _socket) 
		// 错误码检测
		if (_ec) 
			return;
		
		// 打印当前连接进来的客户端
		std::cout << "client: " << _socket->remote_endpoint().address() << std::endl;
		// 异步发送 "hello CSND_Ayo" 消息到客户端，发送成功后，自动调用Server::write_handler函数
		_socket->async_write_some(boost::asio::buffer("hello CSND_Ayo"),
			boost::bind(&Server::write_handler, this,
			boost::asio::placeholders::error/* 此处作为占位符 */));
		// 启动新的异步监听
		start();
	
 
	// 完成异步写操作后的处理器
	void write_handler(const boost::system::error_code& _ec) 
		std::cout << "server: send message complete." << std::endl;
	
 
;
 
 
 
int main(void) 
	try 
		std::cout evpp性能测试: 与Boost.Asio进行吞吐量对比测试
 evpp性能测试: 与Boost.Asio进行吞吐量对比测试
 boost asio 学习 网络基础 连接器和接收器(TCP示例)
 boost::asio基本使用
 为libevent添加websocket支持（上）
 Boost.Asio网络库之io_service分析