boost.asio 学习笔记02——io_service类

从第一个boost.asio的教程开始，boost文档就一直在告诉我们：使用boost.asio第一步就是要创建一个io_service对象。那么io_service是个什么东西呢？

 

boost.asio文档说，io_service为下面的这些异步IO对象提供最核心的IO功能：

• boost::asio::ip::tcp::socket
• boost::asio::ip::tcp::acceptor
• boost::asio::ip::udp::socket
• deadline_timer.

 

接着，文档就会说，像下面这样，就可以简简单单声明一个io_service对象了：

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

 

上面的一行代码，表明无限地风光与潇洒，看起来简简单单一行，就几乎有了异步IO、网络操作的框架，那么他到底代表了什么，在后面，又有什么事情发生呢？io_service又是如何支撑起这些功能的呢？带着这些问题，我们开始分析吧……

 

从C++的角度看，上面的这一行代码，无非就是定义了一个io_service的实例，而C++的底层机制所隐藏起来的东西，无非就是初始化该对象的所有数据成员。再来看io_service的声明，我们知道，该类除了一堆成员函数之外，事实上只有三个成员（暗想：这几个成员肯定很是神奇无匹了）：

 

#if defined(BOOST_WINDOWS) || defined(__CYGWIN__)  detail::winsock_init<>init_; #elif defined(__sun) || defined(__QNX__) || defined(__hpux) || defined(_AIX) \  || defined(__osf__)  detail::signal_init<> init_; #endif     // The service registry.  boost::asio::detail::service_registry*service_registry_;    // The implementation.  impl_type&impl_;

 

暂时抛开那几个成员，再来看一下io_service比较重要的一个函数：run()的实现，发现该函数也就是将真正的功能委托给成员impl_去做事儿了：

std::size_t io_service::run() {  boost::system::error_code ec;  std::size_t s = impl_.run(ec);  boost::asio::detail::throw_error(ec);  return s; }

 

种种迹象表明，impl_是个巨牛的东西了。统揽io_service的实现，我们不难发现，该类的所有功能，几乎都是委托给了impl_成员去干了——典型的“有事秘书干”。不过想想也挺容易理解的，io_service提供了一个上层的接口，充当抛头露面的BOSS，真正的工作则委托给下一层的员工去实现——哪家公司不是这样呢？

 

所以，要想了解io_service的玄机，就需要弄清楚这三个数据成员到底是什么来历，特别是impl_的来历才行。

io_service的初始化

成员init_在io_service的各个函数中，并没有显式用到。其存在的价值，就在于该类的构造函数里面，调用了初始化相关的代码，具体到Windows平台，就是WinSock的初始化，也就是调用 ::WSAStartup() 这一WinSock编程所必须调用的第一个函数；而其析构函数则进行清理工作，同样交由WinSock函数 :: WSACleanup()完成。

 

也就是说，io_service通过init_数据成员的创建与销毁，自动完成了相关的初始化及清理工作。

io_service的实现委托

前面说过，impl_带着无限的神秘默默地完成了io_service::run()的功能。至于他到底是什么style，现在来揭开盖头吧。

 

从直接声明来看，impl_具有 impl_type&类型。用SourceInsight不难发现该类型只不过是一个类型别名：

 

typedef detail::io_service_impl impl_type;

 

一波未平一波又起，这儿又冒出个io_service_impl。继续刨根问底，找到：

 

      #if defined(BOOST_ASIO_HAS_IOCP)

namespace detail { typedefwin_iocp_io_service io_service_impl; }

#else

namespace detail { typedeftask_io_service io_service_impl; }

#endif

 

终于知道，在某些情况下，它是win_iocp_ ,在某些情况下，是task_。事实上，在Win NT环境下,如果没有禁用IOCP，也就是没有声明BOOST_ASIO_DISABLE_IOCP这个预处理器指令，那么asio就采用win_iocp_io_service来做那些脏活累活；在剩下的其他平台，或者Win上禁用了IOCP，则使用task_io_service来做事儿了。

 

先稍微提一下，win_iocp_io_service是对Windows环境下的IOCP（完成端口IO）模型的封装，该类作为boost.asio在Windows下的核心，我们在后面详细分析其实现。

io_service的服务管理

io_service的另外一个数据成员service_registry_，又具备什么样的身份和功能呢？我们来看看io_service的构造函数：

io_service::io_service()  : service_registry_    (       new boost::asio::detail::service_registry(              *this,              static_cast(0),              (std::numeric_limits::max)()       )    ),    impl_(service_registry_->first_service()) { }

 

构造函数为了初始化service_registry_，动态分配了一个boost::asio::detail:: service_registry类对象。为了构造该对象，提供了三个参数：

• *this，这个是io_service对象本身，作为所有服务的owner存在。
• static_cast(0)，一个空指针对象，主要是为了模版参数类型推导。在service_registry的构造过程中，也会自动创建一个该类型的对象，作为第一个service对象。具体到Win平台，即为构造一个win_iocp_io_service对象。
• (std::numeric_limits::max)()：提供一个最大的整数作为service构造时的参数——目前还没看到这个参数的用途。

 

再来观察service_registry的实现，发现其实际就是一个链表，管理io_service所容纳的所有service对象（win_iocp_io_service就是一种service）。每种service都有一个id，链表以此id作为标志，在客户通过io_service来请求一种服务时，例如调用 use_service(io_service&) 时，service_registry会查找链表，如果有对应类型的服务，就返回该类型服务实例的指针；否则就创建一个新的对象，并加入到链表末端，再返回此新创建的实例；通过这种形式，io_service确保每种类型的服务都只有一个实例存在。

 

asio提供了这样几个函数，来进行service的管理和使用——这也为扩展asio提供了可能，例如可以自己定义一种服务，使用add_service加入io_service进行管理。

• template

Service& use_service(io_service& ios);

 

• template

void add_service(io_service& ios, Service* svc);

 

• template

bool has_service(io_service& ios);

io_service::service类型及跨平台策略

	boost::asio::io_service
	+ size_t run() + size_t poll() + void    dispatch() + void    stop() - detail::winsock_init<> init_ - detail::service_registry* service_registry_ - impl_type& impl_	class boost::asio::io_service::::id
		class boost::asio::io_service::work
		enum boost::asio::io_service::fork_event
		class boost::asio::io_service::strand
		class boost::asio::io_service::service - struct key key_ - boost::asio::io_service& owner_; - service* next_;

 

io_service内部定义了这样一些类型，来为其服务:

• io_service::id，所有service具体类的标识
• io_service::service,所有service具体类的基类
• io_service::strand,对所有并发提交的hanlder串行化执行
• io_service::work，通知io_service有事儿要干的类，有点令人讨厌的主儿
• io_service::fork_event，fork事件通知

 

针对service类型，asio从其派生出了数十个类分别完成不同的功能，例如在Win上充当io_service的win_iocp_io_service类，以及为各种IO Object类型提供服务的类，如对应于TCP的stream_socket_service，对应于UDP的datagram_socket_ service。下图显示了asio常用到的服务类，及其针对不同平台的适配类之间的关系。

 

 

 图中左边的类，会在我们的应用程序中直接用到（由于asio又对这些类提供了一层动态组装，所以代码中不会去直接声明这些类型的实例，但是剥掉动态组装的外衣，我们声明的仍然是这些类的实例，具体在下面一部分说明），作为应用层的类；而右边部分，则是针对不同平台所提供的不同实现，作为平台适配层。

 

应用层类在编译时，根据所在平台（其实是喂给编译器的各种预处理宏，如BOOST_ASIO_ HAS_IOCP），选择对应的类进行编译。例如用于TCP的服务类stream_socket_service是这样进行选择的：

    template

class stream_socket_service

{

private:

 // The type of the platform-specific implementation.

#if defined(BOOST_ASIO_HAS_IOCP)

 typedef detail::win_iocp_socket_service service_impl_type;

#else

 typedef detail::reactive_socket_service service_impl_type;

#endif

 

// The platform-specific implementation.

 service_impl_type service_impl_;

…

};

 

其他需要进行平台决策的类型，都是采用这种技术，来选择不同的实现的。

 

从io_service::service派生的完整的类列表如下：

• boost::asio::detail::win_iocp_io_service
• boost::asio::detail::task_io_service
• boost::asio::detail::select_reactor
• boost::asio::detail::epoll_reactor
• boost::asio::detail::dev_poll_reactor
• boost::asio::detail::kqueue_reactor

 

• boost::asio::ip::resolver_service
• boost::asio::socket_acceptor_service

 

• boost::asio::stream_socket_service
• boost::asio::datagram_socket_service
• boost::asio::raw_socket_service
• boost::asio::seq_packet_socket_service

 

• boost::asio::serial_port_service

 

• boost::asio::signal_set_service

 

• boost::asio::deadline_timer_service
• boost::asio::waitable_timer_service

 

• boost::asio::detail::strand_service

 

• boost::asio::posix::stream_descriptor_service

 

• boost::asio::ssl::old::context_service
• boost::asio::ssl::old::stream_service
• boost::asio::ssl::old::detail::openssl_context_service
• boost::asio::ssl::old::detail::openssl_stream_service

 

• boost::asio::windows::object_handle_service
• boost::asio::windows::random_access_handle_service
• boost::asio::windows::stream_handle_service

 

还有几个非常重要的类，他们作为劳苦大众在金字塔底层默默提供service功能，但却没有从io_service::service派生；他们是上述那些服务类在各个平台的具体实现，为金字塔中间层的服务类提供再服务的（不难想象，提供服务的方式，又是那种“有事儿秘书干”的方式）：

• boost::asio::detail::win_iocp_socket_service
• boost::asio::detail::win_iocp_handle_service
• boost::asio::detail::reactive_descriptor_service
• boost::asio::detail::reactive_serial_port_service
• boost::asio::detail::reactive_socket_service
• boost::asio::detail::win_iocp_serial_port_service
• boost::asio::detail::win_object_handle_service