boost：asio学习

概况

• asio基于操作系统提供的异步机制，采用proactor设计模式实现了可移植的异步(或者同步)IO操作，而且并不要求使用多线程和锁，有效避免了多线程编程带来的副作用（比如条件竞争、死锁等）

  • asio基于Proactor模式封装了操作系统的select、poll、epoll、kqueue等机制，实现了异步/同步IO模型。 它的核心类是io_server，相当于Proactor模式中的Proactor。asio的任何操作都需要io_server的参与。
  • 在同步模式下，程序发起一个IO操作，向io_server提交请求，io_server把操作转交给操作系统，同步的等待。当IO操作完成之后，操作系统通知io_server，然后io_server在把结果发回给程序，完成整个同步过程。类型多线程的join()
  • 在异步模式下，程序除了要发起的IO操作外，还要定义一个用于回调的完成处理函数（complete handler）。io_server同样把IO操作转交给操作系统执行，但它不同步等待，而是立即返回，调用io_server的run成员函数可以等待异步操作完成，等异步操作完成时io_server会从操作系统获取结果，再调用handler处理后续逻辑。

• 目前asio主要关注在网络通信方面，使用了大量的类和函数封装了SocketAPI，提供了一个现代C++分格的网络编程接口，支持TCP/UDP/ICMP等网络通信协议。但asio的异步操作并不局限于网络编程，它还支持UNIX信号、定时器、串口读写、SSL等功能，而且asio是一个很好的富有弹性的框架，可以扩展到其他有异步操作需要的领域。

• asio不需要编译，但是它依赖其他一些boost库组件：

  • 最基本的是boost.system库，用来提供系统错误支持。
  • 与thread库不同的是它默认使用标准库< chrono >提供的时间功能，如果要强制使用boost.chrono可以定义宏BOOST_ASIO_DISABLE_STD_CHRONO
  • 其他可选库还有coroutine、regex、thread和serialization，如果支持SSL，还需要额外安装OpenSSL

• asio位于名字空间boost::asio，需要包含的头文件如下：

#define BOOST_ASIO_DISABLE_STD_CHRONE  # 使用boost.chrono库的时间功能
#include 
using namespace boost::asio;

handler

• handler是符合某种函数签名的回调函数。handler必须是可拷贝的，io_server会存储handler的拷贝，当某种异步事件发生时io_service就会调用事件对应的handler
• handler并不一定必须是函数或者函数指针。函数对象、function对象、bind/lambda表达式等可调用对象都可以用于io_service调用。但是要注意，由于operator()是异步发生的，时机并不确定，必须保证它们引用的外部变量可用，否则会发生未定义行为。

在asio库里handler主要有如下三种：

• 只有一个error_code参数，标志某个异步事件完成了，是最基本的handler
• error_code和signal_number两个参数，标识发生了一个UNIX信号事件
• error_code和bytes_transferred两个参数，标识某个读写操作完成了，可读的数据字节数是bytes_transferred，通常用于socket回调

这三种handler对应的形式是：

可以使用bind把任意函数适配为asio要求的handler形式，asio库在子名字空间boost::asio::placeholders里定义了几个新的占位符，比bind自己的_1，_2等更好：

• error：表示error_code值
• signal_number：表示UNIX信号值
• bytes_transferred：表示可读写的字节数

io_service

• io_service类代表了系统里的异步处理机制（比如epoll），必须在asio库里的其他对象之前初始化，其他对象则向io_service提交异步操作的handler
• 最常用的成员函数是run()，它启动事件循环，阻塞等待所有注册到io_service的事件完成
  

ps

新版 ASIO 必须以 asio::io_context 替换 asio::io_service

io_context -> io_service
io_context.post() -> io_context.get_executor().post()
io_context.dispatch() -> io_context.get_executor().dispatch()
io_context::strand -> strand< io_context::executor_type>

strand

asio库基于操作系统的异步IO模型，不直接使用系统线程，而是定义了一个自己的线程概念：strand，它序列化异步操作，保证异步代码在多线程的环境中可以正确的执行，无需使用互斥量

strand常用的成员函数是wrap()，它可以包装一个函数，返回一个相同签名的函数对象，保证线程安全地在strand中执行。

我们可以把strand理解为一组handler的锁，加入了线程保护，这一组里的handler不会存在线程并发访问的问题。

• 在一个线程里面使用io_service是没有竞争的，本身就是线程安全，不需要strand。
• 但是如果多个线程对一个io_service对象执行run()，那么同一个handler就有可能存在线程竞争，需要使用strand保护。

work

• 当io_service里注册的所有事件完成时它就会退出事件循环，有时候这不是我们想要的，我们需要让io_service仍然继续运行，处理将来可能发生的异步事件，这时就需要让io_service始终“有事情做”
• io_service的内部类work就可以做到这样：
  • 它在构造函数里启动了一个可用的“work”，在析构函数里停止“work”，这样在work的生命周期里io_server就永远不会因为其他异步事件完成而结束循环
  • 如果想要work停止，有两种方法：
    • 显示调用它的析构函数
    • 使用智能指针持有它，停止工作时reset智能指针

mutable_buffer和const_buffer

mutable_buffer和const_buffer：

• 是什么：IO操作会经常使用到数据缓冲区，相当于一片指定的内存区域，asio库专门用两个类mutable_buffer和const_buffer来表示这个概念。
• 实现原理：保存了一个void *的内存地址和数据长度

mutable_buffer_1和const_buffer_1：

• 是什么：是一个适配器，专门为mutable_buffer和const_buffer提供了容器操作

buffer()

• buffer()是一个工厂函数，它可以将常用的C++容器类型，比如array、vector、string等包装为mutable_buffer_1或者const_buffer_1。
  • 参数： 常用的C++容器类型，比如array、vector、string等。
  • 返回值：mutable_buffer_1或者const_buffer_1对象
    
• 怎么操作buffer呢？有如下函数：
  

错误处理

asio库使用system库的error_code和system_error来表示程序运行的错误。基本上所有的异步操作函数都有两种形式：

• 一：有一个error_code &的输出参数，调用后可以检查这个参数验证是否出错，可以忽略错误
• 二：没有error_code &输出参数，如果发生错误会抛出system_error异常，调用时必须使用try+catch来捕获错误，无法忽略

比如io_service的几个成员函数的error_code形式是：

跟踪日志

异步执行的代码是非线性的，很难调试，所以asio提供了handler跟踪机制。

boost::asio::io_service::work

问题

• 当有任务时，run函数会一直阻塞；但是当没有任务了，run函数会返回，所有异步操作将会终止
• 客户端程序中，如果我想连接断开后重连，但是由于连接断开了，run会返回，当再次重连的时候，由于run返回了，即使连接成功了，也不会调用async_connect绑定的回调函数

怎么解决

• 方法一： 在再次重连的时候，要重新调用run函数，在调用的前一定要调用io_service::reset。以便io_service::run重用。

     boost::asio::io_service io_service_;

   io_service_.reset();

   io_service_.run();

• 方法二：用boost::asio::io_service::work

     boost::asio::io_service io_service_;

     boost::asio::io_service::work work(io_service_); 
     io_service_.run();

thread库和asio库

相似

• 都可以用于并发编程

不同

• thread使用的是进程内部的现场机制，很少需要操作系统内核干预
• asio使用的是异步事件处理机制，与操作系统内核密切相关。由于把异步操作交给了操作系统处理，所以性能更高