boost::asio基本使用

Posted 2020-09-22 wxquare的学习笔记

一、Asio网络库

　　截止到C++17，C++标准库都没有加入网络通信库。实际项目网络编程是非常常见的功能，直接使用操作系统API是低效率且不稳定的，比较好的方法是借助第三方成熟可靠的网络库。据我所知C++中目前比较有名的网络库有ACE、libevent和boost.Asio，这三个库都是跨平台的，各有特色，对于一般的应用来说，使用这些库都是没什么问题。由于C++标准库和boost库的亲缘关系，我经常使用boost中其它的库，所以选择了Asio库。在网络上搜索了大家对Asio的评价，发现Asio库作为跨平台的网络库还是相当优秀的。

　　Linux系统高效网络I/O是epoll，windows系统高效的网络I/O是iocp，epoll是一种同步I/O复用技术，iocp是异步I/O。同步I/O指内核通知应用程序数据有了，应用程序可以获取了；异步I/O是内核负责读数据，读好后通知应用程序可以用了。所以一般来说异步I/O相比同步I/O的效率更高一些，但是Linux中异步I/O(aio)并不比epoll高效。为了使的Asio库跨平台，最终Asio选择Linux系统在epoll的基础上用iocp的思想的封装一层，这在一定上损失了Linux平台I/O的效率。总的来说Asio网络通信库是主动器模式（proactor），而libevent使用的是reactor模式。

二、反应器模式/主动器模式

　　反应器是比较容易理解的I/O模式，也是使用比较多的模式。主要内容来自于《IO设计模式：Reactor和Proactor对比》。

 

Reactor包含如下角色：

• Handle 句柄；用来标识socket连接或是打开文件；
• Synchronous Event Demultiplexer：同步事件多路分解器：由操作系统内核实现的一个函数；用于阻塞等待发生在句柄集合上的一个或多个事件；（如select/epoll；）
• Event Handler：事件处理接口
• Concrete Event HandlerA：实现应用程序所提供的特定事件处理逻辑；
• Reactor：反应器，定义一个接口，实现以下功能： 
  1）供应用程序注册和删除关注的事件句柄； 
  2）运行事件循环； 
  3）有就绪事件到来时，分发事件到之前注册的回调函数上处理；

 Proactor主动器模式包含如下角色

• Handle 句柄；用来标识socket连接或是打开文件；
• Asynchronous Operation Processor：异步操作处理器；负责执行异步操作，一般由操作系统内核实现；
• Asynchronous Operation：异步操作
• Completion Event Queue：完成事件队列；异步操作完成的结果放到队列中等待后续使用
• Proactor：主动器；为应用程序进程提供事件循环；从完成事件队列中取出异步操作的结果，分发调用相应的后续处理逻辑；
• Completion Handler：完成事件接口；一般是由回调函数组成的接口；
• Concrete Completion Handler：完成事件处理逻辑；实现接口定义特定的应用处理逻辑；

　　主动和被动以主动写为例，Reactor将handle放到select()，等待可写就绪，然后调用write()写入数据；写完处理后续逻辑；Proactor调用aoi_write后立刻返回，由内核负责写操作，写完后调用相应的回调函数处理后续逻辑；可以看出，Reactor被动的等待指示事件的到来并做出反应；它有一个等待的过程，做什么都要先放入到监听事件集合中等待handler可用时再进行操作；Proactor直接调用异步读写操作，调用完后立刻返回。

 三、基本使用

 1.基本的同步客户端架构

1 using boost::asio;
2 io_service service;
3 ip::tcp::endpoint ep( ip::address::from_string("127.0.0.1"), 2001);
4 ip::tcp::socket sock(service);
5 sock.connect(ep);

2.基本的同步服务器架构

 1 typedef boost::shared_ptr<ip::tcp::socket> socket_ptr;
 2 io_service service;
 3 ip::tcp::endpoint ep( ip::tcp::v4(), 2001)); // listen on 2001
 4 ip::tcp::acceptor acc(service, ep);
 5 while ( true) {
 6     socket_ptr sock(new ip::tcp::socket(service));
 7     acc.accept(*sock);
 8     boost::thread( boost::bind(client_session, sock));
 9 }
10 void client_session(socket_ptr sock) {
11     while ( true) {
12         char data[512];
13         size_t len = sock->read_some(buffer(data));
14         if ( len > 0)
15             write(*sock, buffer("ok", 2));
16     }

3.基本的异步客户端架构

1 using boost::asio;
2 io_service service;
3 ip::tcp::endpoint ep( ip::address::from_string("127.0.0.1"), 2001);
4 ip::tcp::socket sock(service);
5 sock.async_connect(ep, connect_handler);
6 service.run();
7 void connect_handler(const boost::system::error_code & ec) {
8     // 如果ec返回成功我们就可以知道连接成功了
9 }

4.基本的异步服务器架构

 1 using boost::asio;
 2 typedef boost::shared_ptr<ip::tcp::socket> socket_ptr;
 3 io_service service;
 4 ip::tcp::endpoint ep( ip::tcp::v4(), 2001)); // 监听端口2001
 5 ip::tcp::acceptor acc(service, ep);
 6 socket_ptr sock(new ip::tcp::socket(service));
 7 start_accept(sock);
 8 service.run();
 9 void start_accept(socket_ptr sock) {
10     acc.async_accept(*sock, boost::bind( handle_accept, sock, _1) );
11 }
12 void handle_accept(socket_ptr sock, const boost::system::error_code &
13 err) {
14     if ( err) return;
15     // 从这里开始, 你可以从socket读取或者写入
16     socket_ptr sock(new ip::tcp::socket(service));
17     start_accept(sock);
18 }

 

参考：IO设计模式：Reactor和Proactor对比

        《Boost.Asio C++网络编程》