19.0 Boost 基于ASIO网络编程技术

Boost ASIO库是一个基于C++语言的开源网络编程库，该库提供了成熟、高效、跨平台的网络API接口，并同时支持同步与异步两种模式，ASIO库提供了多重I/O对象、异步定时器、可执行队列、信号操作和协程等支持，使得开发者可以轻松地编写可扩展的高性能网络应用程序，同时保持代码简洁、易于维护。

在学习ASIO库之前，我们先来实现一个简单的地址解析功能，Boost库中提供了ip::tcp::resolver对象，该对象可用于解析给定主机名和端口号的IP地址，学会使用这个对象即可实现对特定主机域名地址的解析功能，如下封装实现了GetDNSAddress该函数传入一个域名，并输出该域名所对应的IP地址列表，并返回给std::vector容器内，其实现原理如下所示；

#include 
#include 
#include 

using namespace std;
using namespace boost;
using namespace boost::asio;

// 传入域名解析IP地址
std::vector<std::string> GetDNSAddress(std::string hostname)
{
  std::vector<std::string> address_list;
  boost::asio::io_service ioservice;
  boost::asio::io_service my_io_service;
  boost::asio::ip::tcp::resolver resolver(my_io_service);
  boost::asio::ip::tcp::resolver::query query(hostname, "https");
  boost::asio::ip::tcp::resolver::iterator iter = resolver.resolve(query);
  boost::asio::ip::tcp::resolver::iterator end;

  while (iter != end)
  {
    boost::asio::ip::tcp::endpoint endpoint = *iter++;
    address_list.push_back(endpoint.address().to_string());
  }
  return address_list;
}

这段代码的调用很容易，只需要传入特定域名即可，如下所示代码中，我们获取www.baidu.com域名下所有的IP地址列表，并依次循环输出ref_address_list中的所有列表信息。

int main(int argc, char *argv[])
{
  // 从字符串产生IP
  ip::address addr;
  addr = addr.from_string("192.168.1.1");

  if (addr.is_v4())
  {
    std::string addr_string = addr.to_string();
    std::cout << "IP地址: " << addr_string << std::endl;
  }

  // 根据域名获取所有DNS地址
  std::vector < std::string > ref_address_list;
  ref_address_list = GetDNSAddress("www.baidu.com");
  for (int x = 0; x < ref_address_list.size(); x++)
  {
    std::cout << ref_address_list[x] << std::endl;
  }

  std::system("pause");
  return 0;
}

读者可自行编译并运行上述代码片段，当运行后会看到特定域名下所包含的所有IP信息，如下图所示；

同步TCP模式

在同步模式下，程序发起I/O操作时，调用相应的同步I/O函数将操作添加到io_service中，该请求被添加到io_service的请求队列中等待处理。然后，io_service就会不断地从队列中取出请求，并将请求传递给操作系统进行处理，直到该请求被处理完成。程序在此期间会一直处于阻塞等待的状态，直到操作完成或者因为某种原因导致操作失败。

当I/O操作在操作系统完成后，操作系统会通知io_service，io_service接收到通知后会再次进入循环，将操作结果发送回程序进行处理。程序会在此等待操作结果，并在io_service返回结果时继续执行其余代码。

同步网络通信的实现原理与原生Socket套接字通信原理保持一致，只是在ASIO模型中，需要定义一个io_service对象，在服务端环境下，我们通过ip::tcp::acceptor来指定服务端地址与端口信息，使用ip::tcp::socket创建一个套接字，通过acceptor.accept(socket)则可用于同步等待一个套接字的链接，当有新套接字连入后，我们可以使用socket.write_some函数向客户端发送一段消息。

#include 
#include 

using namespace boost::asio;

int main(int argc, char* argv[])
{
  io_service io;
  ip::tcp::acceptor acceptor(io, ip::tcp::endpoint(ip::tcp::v4(), 6666));

  while (1)
  {
    // 创建 socket 对象
    ip::tcp::socket socket(io);
    
    // 等待客户端连接
    acceptor.accept(socket);
    
    // 显示客户端IP
    std::cout << "本机地址: " << socket.local_endpoint().address() << std::endl;
    std::cout << "客户端地址: " << socket.remote_endpoint().address() << std::endl;
    
    // 向客户端发送 hello lyshark
    boost::system::error_code error;
    socket.write_some(buffer("hello lyshark"), error);

    // 如果出错,输出错误提示
    if (error)
    {
      std::cout << boost::system::system_error(error).what() << std::endl;
      break;
    }
  }
  system("pause");
  return 0;
}

对于客户端而言我们可以使用tcp::endpoint创建一个链接端点，当初始化结构后就可以使用socket.connect函数连接到这个端点上，当链接被建立后，则客户端就可以使用socket.read_some函数接收服务端传递过来的消息，此处读者需要注意接受的消息需要使用boost::array存储，当接收到消息后就可以使用buffer.data()方法打印出该缓冲区内的具体内容。

#include 
#include 
#include 

using namespace std;
using boost::asio::ip::tcp;

int main(int argc, char* argv[])
{
  try
  {
    // 定义Socket对象
    boost::asio::io_service io;
    tcp::socket socket(io);

    // 尝试连接服务器
    tcp::endpoint end_point(boost::asio::ip::address::from_string("127.0.0.1"), 6666);
    socket.connect(end_point);

    while (1)
    {
      boost::array<char, 1024> buffer = { 0 };
      boost::system::error_code error;

      // 接受数据并存入buffer
      size_t len = socket.read_some(boost::asio::buffer(buffer), error);

      // 判断是否出错
      if (error == boost::asio::error::eof)
        break;
      else if (error)
        throw boost::system::system_error(error);

      std::cout << "接收到数据: " << buffer.data() << std::endl;
    }
  }
  catch (std::exception& e)
  {
    cout << e.what() << endl;
  }
  system("pause");
  return 0;
}

读者可自行编译并运行上述服务端与客户端程序，当运行后即可看到如下图所示的输出效果；

同步UDP模式

TCP和UDP是两种常见的Internet协议，TCP是一种可靠的、面向连接的协议，UDP则是不可靠的、无连接的协议。 TCP适合传输数据量大、对数据传输准确性要求高的应用，而UDP适合传输数据量小、传输速度快、对传输可靠性要求低的应用。

ASIO库在实现UDP传输时其大体思路与TCP保持一致，两者唯一的区别是在定义套接字时应使用ip::udp::命名空间，其次在传输数据方面服务端应该采用receive_from函数接收参数，如下是一段简单的UDP传输服务端实现。

#include 
#include 

using namespace boost::asio;
using namespace boost::system;

int main(int argc, char* argv[])
{
  io_service io;
  ip::udp::socket sock(io, ip::udp::endpoint(ip::udp::v4(), 6666));

  while (1)
  {
    char buf[1];
    ip::udp::endpoint ep;

    error_code ec;

    // 接收参数
    sock.receive_from(buffer(buf), ep, 0, ec);

    if (ec && ec != error::message_size)
    {
      throw system_error(ec);
    }

    std::cout << "发送到: " << ep.address() << std::endl;
    sock.send_to(buffer("hello lyshark"), ep);
  }

  system("pause");
  return 0;
}

接着是客户端的实现，对于UDP客户端通常采用sock.open()函数打开套接字，在打开后可调用sock.send_to向服务端发送数据，同时使用sock.receive_from接收数据包，如下是客户端代码实现。

#include 
#include 
#include 

using namespace boost::asio;
using namespace boost::system;

int main(int argc, char* argv[])
{
  io_service io;

  ip::udp::endpoint send_ep(ip::address::from_string("127.0.0.1"), 6666);
  ip::udp::socket sock(io);
  sock.open(ip::udp::v4());

  char buf[1];

  // 发送数据
  sock.send_to(buffer(buf), send_ep);

  std::vector<char> v(100, 0);
  ip::udp::endpoint recv_ep;

  // 接收数据
  sock.receive_from(buffer(v), recv_ep);
  std::cout << "数据来自于: " << recv_ep.address() << std::endl;
  std::cout << "数据: " << &v[0] << std::endl;

  system("pause");
  return 0;
}

读者可自行编译并运行上述代码片段，则可输出如下图所示的效果；