Boost学习之深入理解asio库

Asio简介

Boost C++ 库 Asio，它是异步输入输出的核心。名字本身就说明了一切：Asio 即异步输入/输出。该库可以让 C++ 异步地处理数据，且平台独立。异步数据处理就是指，任务触发后不需要等待它们完成。相反，Boost.Asio 会在任务完成时触发一个应用。异步任务的主要优点在于，在等待任务完成时不需要阻塞应用程序，可以去执行其它任务。

异步任务的典型例子是网络应用。如果数据被发送出去了，比如发送至 Internet，通常需要知道数据是否发送成功。如果没有一个像 Boost.Asio 这样的库，就必须要等待接收函数的返回值，并得到一个确认或是错误代码。而使用 Boost.Asio，这个过程被分为两个单独的步骤：第一步是作为一个异步任务开始数据传输。一旦传输完成，不论成功或是错误，应用程序都会在第二步中得到相应的结果通知。主要的区别在于，应用程序无需阻塞至传输完成，而可以在这段时间里执行其它操作。

I/O服务与I/O对象

使用 Boost.Asio 进行异步数据处理的应用程序基于两个概念：I/O 服务和 I/O 对象。

I/O 服务抽象了操作系统的接口，允许第一时间进行异步数据处理. I/O 对象则用于初始化特定的操作。

Boost.Asio 只提供了一个名为 boost::asio::io_service 的类作为 I/O 服务，它针对所支持的每一个操作系统都分别实现了优化的类，另外库中还包含了针对不同 I/O 对象的几个类。其中，类 boost::asio::ip::tcp::socket 用于通过网络发送和接收数据，而类 boost::asio::deadline_timer 则提供了一个计时器，用于测量某个固定时间点到来或是一段指定的时长过去了。

以下示例使用了计时器，与 Asio 所提供的其它 I/O 对象相比较而言，它不需要任何有关于网络编程的知识。

#include <boost\asio.hpp>
#include <iostream>

void handler(const boost::system::error_code& ec)
{
	std::cout << "5s" << std::endl;
}


int main()
{
	boost::asio::io_service io_service;
	boost::asio::deadline_timer timer(io_service, boost::posix_time::seconds(5));
	timer.async_wait(handler);
	io_service.run();
	return 0;
}

函数 main() 首先定义了一个 I/O 服务 io_service ，用于初始化 I/O 对象 timer 。由于 timer 的作用类似于一个闹钟，所以 boost::asio::deadline_timer 的构造函数可以传入第二个参数，用于表示在某个时间点或是在某段时长之后闹钟停止。本例指定了五秒的时长，该闹钟在 timer 被定义之后立即开始计时。

通过调用方法 async_wait() 并传入handler() 函数的名字作为唯一参数，可以让 Asio 启动一个异步操作。请留意，我们只是传入了 handler() 函数的名字，而该函数本身并没有被立即调用。

async_wait() 的好处是，该函数调用会立即返回，而不是等待五秒钟。一旦闹钟时间到，作为参数所提供的函数就会被调用。因此，应用程序可以在调用了 async_wait() 之后执行其它操作，而不是阻塞在这里。

像 async_wait() 这样的方法被称为是非阻塞式的。 I/O 对象通常还提供了阻塞式的方法，可以让执行流在特定操作完成之前保持阻塞。例如，可以调用阻塞式的 wait() 方法，取代 boost::asio::deadline_timer 的调用。由于它会阻塞调用，所以它不需要传入一个函数名，而是在指定时间点或指定时长之后返回。

在调用 async_wait() 之后，又在 I/O 服务之上调用了一个名为 run() 的方法。这是必须的，因为控制权必须被操作系统接管，才能在五秒之后调用 handler() 函数。

async_wait() 会启动一个异步操作并立即返回，而 run() 则是阻塞的。因此调用 run()后程序执行会停止。具有讽刺意味的是，许多操作系统只是通过阻塞函数来支持异步操作。以下例子显示了为什么这个限制通常不会成为问题。

#include <boost\asio.hpp>
#include <iostream>

void handler(const boost::system::error_code& ec)
{
	std::cout << "5s" << std::endl;
}

void handler1(const boost::system::error_code& ec)
{
	std::cout << "2m " << std::endl;
}

int main()
{
	boost::asio::io_service io_service;

	boost::asio::deadline_timer timer(io_service, boost::posix_time::seconds(5));
	timer.async_wait(handler);

	boost::asio::deadline_timer timer1(io_service, boost::posix_time::minutes(2));
	timer1.async_wait(handler1); 

	io_service.run(); 
	return 0;
}

上面的程序用了两个 boost::asio::deadline_timer 类型的 I/O 对象。第一个 I/O 对象表示一个5秒后触发的闹钟，而第二个则表示一个2分钟后触发的闹钟。每一段指定时长过去后，都会相应地调用函数 handler() 和 handler1()。

在 main() 的最后，再次在唯一的 I/O 服务之上调用了 run() 方法。如前所述，这个函数将阻塞执行，把控制权交给操作系统以接管异步处理。在操作系统的帮助下，handler() 函数会在五秒后被调用，而 handler1() 函数则在2分钟后被调用。

很多人会问，为什么异步处理还要调用阻塞式的 run() 方法？很明显，应用程序必须防止被中止执行，所以这样做实际上不会有任何问题。如果 run() 不是阻塞的，main() 就会结束从而中止该应用程序。如果应用程序不应被阻塞，那么就应该在一个新的线程内部调用 run()，它自然就会仅仅阻塞那个线程。

一旦特定的 I/O 服务的所有异步操作都完成了，控制权就会返回给 run() 方法，然后它就会返回。以上两个例子中，应用程序都会在闹钟到时间后马上结束。

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扩展与多线程

用 Boost.Asio 这样的库来开发应用程序，与一般的 C++ 风格不同。那些可能需要较长时间才返回的函数不再是以顺序的方式来调用。不再是调用阻塞式的函数，Boost.Asio 是启动一个异步操作。而那些需要在操作结束后调用的函数则实现为相应的句柄。这种方法的缺点是，本来顺序执行的功能变得在物理上分割开来了，从而令相应的代码更难理解。

像 Boost.Asio 这样的库通常是为了使应用程序具有更高的效率。应用程序不需要等待特定的函数执行完成，而可以在期间执行其它任务，如开始另一个需要较长时间的操作。一般用在并发操作中，每次执行的任务都是相同的原子性任务，每个任务执行先后没有顺序概念。比如博主最近实现的httpserver，多个客户端请求实时视频，可以抽象为一个个原子操作，每个原子任务可以单独异步执行，没有任何先后顺序。

如果在某个 boost::asio::io_service 类型的对象之上调用 run() 方法，则相关联的句柄也会在同一个线程内被执行。通过使用多线程，应用程序可以同时调用多个 run() 方法。一旦某个异步操作结束，相应的 I/O 服务就将在这些线程中的某一个之中执行句柄。如果第二个操作在第一个操作之后很快也结束了，则 I/O 服务可以在另一个线程中执行句柄，而无需等待第一个句柄终止。

#include<boost/asio.hpp>
#include<boost/thread/thread.hpp>
#include<iostream>

boost::asio::io_service io_service; //创建io_service对象，后续初始化所有boost对象都需要传入该服务。与操作系统进行交互。

void handler(const boost::system::error_code& ec)
{
	std::cout << "handler 5 s" << std::endl;
}

void handler1(const boost::system::error_code& ec)
{
	std::cout << "handler1 20 s" << std::endl;
}

void run()
{
	io_service.run();
}

int main()
{
	boost::asio::deadline_timer timer1(io_service, boost::posix_time::seconds(20));
	timer1.async_wait(handler1);

	boost::asio::deadline_timer timer(io_service, boost::posix_time::seconds(5));
	timer.async_wait(handler);

	boost::thread thread1(run);
	boost::thread thread2(run);

	thread1.join();
	thread2.join();
	return 0;
}

运行结果：

以上代码段是多线程的应用，通过使用在boost/thread.hpp中定义的boost::thread类，在 main() 中创建了两个线程。这两个线程均针对同一个 I/O 服务调用了 run() 方法。这样当异步操作完成时，这个 I/O 服务就可以使用两个线程中的任意一个去执行句柄函数。

这个例子中的第一个计时数20s后执行，第二个5s后执行。由于有两个线程，所以 handler() 和 handler1() 可以并行执行，通过运行结果可以看出，第二个执行完后，第一个过了15秒才执行结束。如果第二个计时器触发时第一个仍在执行，则第二个句柄就会在第二个线程中执行。如果第一个计时器的句柄已经终止，则 I/O 服务可以自由选择任一线程。

要注意，使用线程并不总是值得的。多线程程序运行会导致不同信息在标准输出流上混合输出，因为这两个句柄可能会并行运行，访问同一个共享资源：标准输出流 std::cout。这种访问必须被同步，以保证每一条信息在另一个线程可以向标准输出流写出另一条信息之前被完全写出。这就涉及到在多线程编程中，死锁的情况，即多个线程抢占同一份资源，导致死锁。这种情况解决方法在后面的博客中会讲到。

多次调用同一个 I/O 服务的 run() 方法，是为基于 Boost.Asio 的应用程序增加可扩展性的推荐方法。另外还有一个不同的方法：不要绑定多个线程到单个 I/O 服务，而是创建多个 I/O 服务。然后每一个 I/O 服务使用一个线程。如果 I/O 服务的数量与系统的处理器内核数量相匹配，则异步操作都可以在各自的内核上执行。

#include<boost/asio.hpp>
#include<boost/thread/thread.hpp>
#include<iostream>

boost::asio::io_service io_service1;
boost::asio::io_service io_service2;

void handler(const boost::system::error_code &ec)
{
	std::cout << "handler run 20s" << std::endl;
}

void handler1(const boost::system::error_code &ec)
{
	std::cout << "handler1 run 5s" << std::endl;
}

void run1()
{
	io_service1.run();
}

void run2()
{
	io_service2.run();
}

int main()
{
	boost::asio::deadline_timer timer1(io_service1, boost::posix_time::seconds(20));
	timer1.async_wait(handler);

	boost::asio::deadline_timer timer2(io_service2, boost::posix_time::seconds(5));
	timer2.async_wait(handler1);

	boost::thread thread1(run1);
	boost::thread thread2(run2);

	thread1.join();
	thread2.join(); 
	return 0;
}

运行结果：

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

前面使用两个计时器的例子被重写为使用两个 I/O 服务。这个应用程序仍然基于两个线程；但是现在每个线程被绑定至不同的 I/O 服务。此外，两个 I/O 对象 timer1 和 timer2 现在也被绑定至不同的 I/O 服务。

这个应用程序的功能与前一个相同。在一定条件下使用多个 I/O 服务是有好处的，每个 I/O 服务有自己的线程，最好是运行在各自的处理器内核上，这样每一个异步操作连同它们的句柄就可以局部化执行。如果没有远端的数据或函数需要访问，那么每一个 I/O 服务就像一个小的自主应用。这里的局部和远端是指类似高速缓存、内存页这样的资源。由于在确定优化策略之前需要对底层硬件、操作系统、编译器以及潜在的瓶颈有专门的了解，所以应该仅在清楚这些好处的情况下使用多个I/O 服务。

Asio网络编程

虽然 Boost.Asio 是一个可以异步处理任何种类数据的库，但是它主要被用于网络编程。网络功能是异步处理的一个很好的例子，因为通过网络进行数据传输可能会需要较长时间，从而不能直接获得确认或错误条件。

Boost.Asio 提供了多个 I/O 对象以开发网络应用。以下例子使用了boost::asio::ip::tcp::socket类来建立与另一台PC的连接，并下载 ‘baidu’ 主页。

#include<boost/asio.hpp>
#include<boost/array.hpp>
#include<iostream>
#include<string>

boost::asio::io_service io_service;
boost::asio::ip::tcp::resolver resolver(io_service);
boost::asio::ip::tcp::socket sock(io_service);
boost::array<char, 4096> buffer;

void read_handler(const boost::system::error_code &ec, std::size_t transferred_byte)
{
	if (!ec)
	{
		std::cout << std::string(buffer.data(), transferred_byte) << std::endl;
		sock.async_read_some(boost::asio::buffer(buffer), read_handler);
	}
}
void connect_handler(const boost::system::error_code& ec)
{
	if (!ec)
	{
		boost::asio::write(sock, boost::asio::buffer("GET / HTTP 1.1\r\nHost: www.baidu.com\r\n\r\n"));
		sock.async_read_some(boost::asio::buffer(buffer), read_handler);
	}
}

void resolve_handler(const boost::system::error_code& ec, boost::asio::ip::tcp::resolver::iterator it)
{
	if (!ec)
	{
		sock.async_connect(*it, connect_handler);
	}
}

int main()
{
	boost::asio::ip::tcp::resolver::query query("www.baidu.com", "80");
	resolver.async_resolve(query, resolve_handler);
	io_service.run();

	system("pause");
	return 0;
}

这个程序最明显的部分是三个句柄的使用：connect_handler() 和 read_handler() 函数会分别在连接被建立后以及接收到数据后被调用。那么为什么需要 resolve_handler() 函数呢？

互联网使用了IP地址来标识每台PC。 IP地址实际上只是一长串数字，难以记住。而记住象 www.baidu.com 这样的名字就容易得多。为了在互联网上使用类似的名字，需要通过一个叫作域名解析的过程将它们翻译成相应的IP地址。这个过程由所谓的域名解析器来完成，对应的 I/O 对象是：boost::asio::ip::tcp::resolver。

域名解析也是一个需要连接到互联网的过程。有些专门的PC，被称为DNS服务器，其作用就像电话本，它知晓哪个IP地址被赋给了哪台PC。由于这个过程本身的透明的，只要明白其背后的概念以及为何需要 boost::asio::ip::tcp::resolver I/O 对象就可以了。由于域名解析不是发生在本地的，所以它也被实现为一个异步操作。一旦域名解析成功或被某个错误中断，resolve_handler() 函数就会被调用。

因为接收数据需要一个成功的连接，进而需要一次成功的域名解析，所以这三个不同的异步操作要以三个不同的句柄来启动。 resolve_handler() 访问 I/O 对象 sock，用由迭代器 it 所提供的解析后地址创建一个连接。而 sock 也在 connect_handler() 的内部被使用，发送 HTTP 请求并启动数据的接收。因为所有这些操作都是异步的，各个句柄的名字被作为参数传递。取决于各个句柄，需要相应的其它参数，如指向解析后地址的迭代器 it 或用于保存接收到的数据的缓冲区 buffer。

开始执行后，该应用将创建一个类型为 boost::asio::ip::tcp::resolver::query 的对象 query，表示一个查询，其中含有名字 www.baidu.com以及互联网常用的端口80。这个查询被传递给 async_resolve() 方法以解析该名字。最后，main() 只要调用 I/O 服务的 run() 方法，将控制交给操作系统进行异步操作即可。

当域名解析完成后，resolve_handler() 被调用，检查域名是否能被解析。如果解析成功，则存有错误条件的对象 ec 被设为0。只有在这种情况下，才会相应地访问 socket 以创建连接。服务器的地址是通过类型为 boost::asio::ip::tcp::resolver::iterator 的第二个参数来提供的。

调用了 async_connect() 方法之后，connect_handler() 会被自动调用。在该句柄的内部，会访问 ec 对象以检查连接是否已建立。如果连接是有效的，则对相应的 socket 调用 async_read_some() 方法，启动读数据操作。为了保存接收到的数据，要提供一个缓冲区作为第一个参数。在以上例子中，缓冲区的类型是 boost::array。

每当有一个或多个字节被接收并保存至缓冲区时，read_handler() 函数就会被调用。准确的字节数通过 std::size_t 类型的参数 bytes_transferred 给出。同样的规则，该句柄应该首先看看参数 ec 以检查有没有接收错误。如果是成功接收，则将数据写出至标准输出流。

请留意，read_handler() 在将数据写出至 std::cout 之后，会再次调用 async_read_some() 方法。因为无法保证仅在一次异步操作中就可以接收到整个网页。 async_read_some() 和 read_handler() 的交替调用只有当连接被破坏时才中止，如当 web 服务器已经传送完整个网页时。这种情况下，在 read_handler() 内部将报告一个错误，以防止进一步将数据输出至标准输出流，以及进一步对该 socket 调用 async_read() 方法。这时该例程将停止。

以下示例将讲述通过本地连接，实现异步socket功能。

#include <boost/asio.hpp> 
#include <string> 

boost::asio::io_service io_service; 
boost::asio::ip::tcp::endpoint endpoint(boost::asio::ip::tcp::v4(), 80); 
boost::asio::ip::tcp::acceptor acceptor(io_service, endpoint); 
boost::asio::ip::tcp::socket sock(io_service); 
std::string data = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 13\r\n\r\nHello, world!"; 

void write_handler(const boost::system::error_code &ec, std::size_t bytes_transferred) 
{ 
} 

void accept_handler(const boost::system::error_code &ec) 
{ 
  if (!ec) 
  { 
    boost::asio::async_write(sock, boost::asio::buffer(data), write_handler); 
  } 
} 

int main() 
{ 
  acceptor.listen(); 
  acceptor.async_accept(sock, accept_handler); 
  io_service.run(); 
}

类型为 boost::asio::ip::tcp::acceptor 的 I/O 对象 acceptor ，被初始化为指定的协议和端口号，用于等待从其它PC传入的连接。初始化工作是通过endpoint 对象完成的，该对象的类型为 boost::asio::ip::tcp::endpoint，将本例中的接收器配置为使用端口80来等待 IP v4 的传入连接。

接收器初始化完成后，main() 首先调用 listen() 方法将接收器置于接收状态，然后再用 async_accept() 方法等待初始连接。用于发送和接收数据的 socket 被作为第一个参数传递。

当一个PC试图建立一个连接时，accept_handler() 被自动调用。如果该连接请求成功，就执行函数 boost::asio::async_write()来通过 socket 发送保存在 data 中的信息。 boost::asio::ip::tcp::socket 还有一个名为 async_write_some() 的方法也可以发送数据；不过它会在发送了至少一个字节之后调用相关联的句柄。该句柄需要计算还剩余多少字节，并反复调用 async_write_some() 直至所有字节发送完毕。而使用 boost::asio::async_write() 可以避免这些，因为这个异步操作仅在缓冲区的所有字节都被发送后才结束。

在这个例子中，当所有数据发送完毕，空函数 write_handler() 将被调用。由于所有异步操作都已完成，所以应用程序终止。与其它PC的连接也被将被关闭。