Boost库为C++提供了强大的支持,尤其在多线程和网络编程方面。其中,Boost.Asio库是一个基于前摄器设计模式的库,用于实现高并发和网络相关的开发。Boost.Asio核心类是io_service,它相当于前摄模式下的Proactor角色。所有的IO操作都需要通过io_service来实现。
在异步模式下,程序除了发起IO操作外,还需要定义一个用于回调的完成处理函数。io_service将IO操作交给操作系统执行,但它不同步等待,而是立即返回。调用io_service的run成员函数可以等待异步操作完成。当异步操作完成时,io_service会从操作系统获取结果,再调用相应的处理函数(handler)来处理后续逻辑。
这种异步模型的优势在于它能够更有效地利用系统资源,避免线程阻塞,提高程序的并发性能。Boost.Asio的设计让开发者能够以高效的方式开发跨平台的并发网络应用,使C++在这方面能够与类似Java等语言相媲美。
boost::asio::deadline_timer 是 Boost.Asio 库中用于处理定时器的类。它允许你在一段时间后或在指定的时间点触发回调函数。deadline_timer 通常与 io_service 配合使用,以实现异步定时器功能。
以下是 boost::asio::deadline_timer 的一些重要概念和方法:
构造函数: deadline_timer 的构造函数通常需要一个 io_service 对象和一个时间参数。时间参数可以是相对时间(相对于当前时间的一段时间间隔)或绝对时间(具体的时刻)。
cppCopy codeboost::asio::io_service io_service;boost::asio::deadline_timer timer(io_service, boost::posix_time::seconds(5));
expires_from_now 方法: 通过调用 expires_from_now 方法,可以设置相对于当前时间的时间间隔,来定义定时器的到期时间。
cppCopy codetimer.expires_from_now(boost::posix_time::seconds(10));
expires_at 方法: 通过调用 expires_at 方法,可以设置定时器的到期时间为一个具体的时刻。
cppCopy codeboost::posix_time::ptime expiryTime = boost::posix_time::second_clock::local_time() + boost::posix_time::seconds(10);timer.expires_at(expiryTime);
async_wait 方法: async_wait 方法用于启动异步等待定时器的到期。它接受一个回调函数作为参数,该回调函数将在定时器到期时被调用。
cppCopy codevoid timerCallback(const boost::system::error_code& /*e*/){ std::cout << "Timer expired!" << std::endl;}timer.async_wait(boost::bind(timerCallback, boost::asio::placeholders::error));
取消定时器: 你可以通过调用 cancel 方法来取消定时器,以停止它在到期时触发回调函数。
cppCopy codetimer.cancel();
boost::asio::deadline_timer 提供了一种灵活和强大的方式来处理异步定时器操作,使得你可以方便地执行定时任务、调度操作或执行周期性的工作。
#include <iostream>#include <boost/asio.hpp>using namespace std;using namespace boost::asio;void handler(const boost::system::error_code &ec){ cout << "hello lyshark A" << endl;}void handler2(const boost::system::error_code &ec){ cout << "hello lyshark B" << endl;}int main(int argc,char *argv){ boost::asio::io_service service; boost::asio::deadline_timer timer(service, boost::posix_time::seconds(5)); timer.async_wait(handler); boost::asio::deadline_timer timer2(service, boost::posix_time::seconds(10)); timer2.async_wait(handler2); service.run(); std::system("pause"); return 0;}
上述代码运行后,会分别间隔5秒及10秒,用来触发特定的handler函数,效果如下图所示;
在 Boost.Asio 中,io_service::run() 是一个关键的方法,它用于运行 I/O 服务的事件循环。通常,run() 方法会一直运行,直到没有更多的工作需要完成,即直到没有未完成的异步操作。
如果多个异步函数同时调用同一个 io_service 的 run() 方法,可以考虑将 run() 方法单独摘出来,以便在线程函数中多次调用。
#include <iostream>#include <boost/asio.hpp>#include <boost/thread.hpp>using namespace std;using namespace boost::asio;void handler(const boost::system::error_code &ec){ cout << "hello lyshark A" << endl;}void handler2(const boost::system::error_code &ec){ cout << "hello lyshark B" << endl;}boost::asio::io_service service;void run(){ service.run();}int main(int argc,char *argv){ boost::asio::deadline_timer timer(service, boost::posix_time::seconds(5)); timer.async_wait(handler); boost::asio::deadline_timer timer2(service, boost::posix_time::seconds(10)); timer2.async_wait(handler2); boost::thread thread1(run); boost::thread thread2(run); thread1.join(); thread2.join(); std::system("pause"); return 0;}
上述代码的运行效果与第一个案例一致,唯一的不同在于,该案例中我们通过boost::thread分别启动了两个线程,并通过join()分别等待这两个线程的执行结束,让异步与线程分离。
通过多次触发计时器,实现重复计时器功能,如下代码使用 Boost.Asio 实现了一个异步定时器的例子。
该程序定义了一个计数器 count,并创建了一个 steady_timer 对象 io_timer,设置其到期时间为 1 秒。然后,通过 io_timer.async_wait 启动了一个异步等待操作,该操作在计时器到期时调用 print 函数。
在 print 函数中,首先判断计数器是否小于 5,如果是,则输出计数器的值,并将计时器的到期时间延迟 1 秒。然后,再次启动新的异步等待操作,递归调用 print 函数。当计数器达到 5 时,停止了 io 对象,这会导致 io.run() 返回,程序退出。
#include <iostream>#include <boost/asio.hpp>#include <boost/bind.hpp>// 定义输出函数void print(const boost::system::error_code &,boost::asio::steady_timer * io_timer, int * count){ // 如果计时器等于4也就是循环5此后自动停止 if (*count < 5) { std::cout << "Print函数计数器: " << *count << std::endl; ++(*count); // 将计时器到期时间向后延时1秒 io_timer->expires_at(io_timer->expiry() + boost::asio::chrono::seconds(1)); // 启动一个新的异步等待 io_timer->async_wait(boost::bind(print,boost::asio::placeholders::error, io_timer, count)); }}int main(int argc, char *argv){ boost::asio::io_context io; int count = 0; // 定义IO时间为1秒 boost::asio::steady_timer io_timer(io, boost::asio::chrono::seconds(1)); // 绑定并调用print函数 io_timer.async_wait(boost::bind(print, boost::asio::placeholders::error, &io_timer, &count)); io.run(); std::cout << "循环已跳出,总循环次数: " << count << std::endl; std::system("pause"); return 0;}
运行上述代码,输出效果如下图所示,通过计数器循环执行特定次数并输出,每次间隔为1秒。
与之前的代码相比,如下所示的版本使用了一个类 print 来封装定时器操作。
与之前版本相比的主要不同点:
#include <iostream>#include <boost/asio.hpp>#include <boost/bind.hpp>class print{private: boost::asio::steady_timer timer_; int count_;public: // 构造时引用io_context对象,使用它初始化timer print(boost::asio::io_context& io) : timer_(io, boost::asio::chrono::seconds(1)), count_(0) { // 使用 bind 绑定当前对象的 this 指针,利用成员 count 控制计时器的执行 timer_.async_wait(boost::bind(&print::run_print, this)); } // 在析构中打印结果 ~print() { std::cout << "循环已跳出,总循环次数: " << count_ << std::endl; } // 作为类的成员函数,无需再传入参数,直接使用当前对象的成员变量 void run_print() { if (count_ < 5) { std::cout << "Print函数计时器: " << count_ << std::endl; ++count_; timer_.expires_at(timer_.expiry() + boost::asio::chrono::seconds(1)); timer_.async_wait(boost::bind(&print::run_print, this)); } }};int main(int argc, char *argv){ boost::asio::io_context io; print ptr(io); io.run(); std::system("pause"); return 0;}
这个输出效果与之前基于过程的保持一致,其他的并无差异;
如下版本的代码相对于之前的版本引入了 io_context::strand 来保证定时器回调函数的串行执行,避免了多个线程同时执行 print1 和 print2 导致的竞态条件。
与之前版本相比的主要不同点:
总体而言,这个版本通过引入 io_context::strand 以及多线程运行 io_context,解决了异步操作可能导致的竞态条件,增强了程序的并发性。
#include <iostream>#include <boost/asio.hpp>#include <boost/bind.hpp>#include <boost/thread/thread.hpp>class print{public: print(boost::asio::io_context& io) : strand_(io), // strand用于控制handler的执行 timer1_(io, boost::asio::chrono::seconds(1)), // 运行两个计时器 timer2_(io, boost::asio::chrono::seconds(1)), count_(0) { // 启动异步操作时,每个 handler 都绑定到 strand 对象 // bind_executor() 返回一个新的 handler,它将自动调度其包含的 print::print1 // 通过将 handler 绑定到同一个 strand,保证两个print不会同时执行 timer1_.async_wait(boost::asio::bind_executor(strand_,boost::bind(&print::print1, this))); timer2_.async_wait(boost::asio::bind_executor(strand_,boost::bind(&print::print2, this))); } void print1() { if (count_ < 10) { std::cout << "Print 1: " << count_ << std::endl; ++count_; timer1_.expires_at(timer1_.expiry() + boost::asio::chrono::seconds(1)); timer1_.async_wait(boost::asio::bind_executor(strand_,boost::bind(&print::print1, this))); } } void print2() { if (count_ < 10) { std::cout << "Print 2: " << count_ << std::endl; ++count_; timer2_.expires_at(timer2_.expiry() + boost::asio::chrono::seconds(1)); timer2_.async_wait(boost::asio::bind_executor(strand_,boost::bind(&print::print2, this))); } }private: boost::asio::io_context::strand strand_; boost::asio::steady_timer timer1_; boost::asio::steady_timer timer2_; int count_;};int main(int argc,char *argv[]){ // 第一个线程 boost::asio::io_context io; print ptr(io); // 定义两个子线程 boost::thread t(boost::bind(&boost::asio::io_context::run, &io)); boost::thread t1(boost::bind(&boost::asio::io_context::run, &io)); io.run(); t.join(); t1.join(); std::system("pause"); return 0;}
输出效果如下图所示;
异步通信的原理与同步通信不同,主要体现在程序对IO请求的处理上。在异步状态下,程序发起IO请求后会立即返回,无需等待IO操作完成。无论IO操作成功还是失败,程序都可以继续执行其他任务,不会被阻塞。当IO请求被执行完成后,系统会通过回调函数的方式通知调用者,使其能够获取操作的状态或结果。
这种异步通信的机制带来了一些优势:
异步通信的原理在于通过非阻塞的方式发起IO请求,充分利用等待IO完成的时间,通过回调函数的方式获取IO操作的结果,以提高程序的并发性、响应性和效率。
使用Boost.Asio库实现简单的异步TCP服务器。
对代码的主要分析:
整体而言,这个程序通过异步的方式接受客户端连接,并在连接建立后异步发送消息给客户端。使用 Boost.Asio 提供的异步操作可以实现高效的并发网络编程。
#include <iostream>#include <string>#include <boost/asio.hpp>#include <boost/bind.hpp>#include <boost/smart_ptr.hpp>using namespace boost::asio;using boost::system::error_code;using ip::tcp;struct IOService{ IOService(io_service &io) :m_iosev(io), m_acceptor(io, tcp::endpoint(tcp::v4(), 80)) { std::cout << "执行构造函数" << std::endl; } void start() { // 非阻塞等待连接 boost::shared_ptr<tcp::socket> psocket(new tcp::socket(m_iosev)); // 绑定 IOService::accept_handler 当有请求进来时,自动回调到绑定accept_handler函数上 m_acceptor.async_accept(*psocket,boost::bind(&IOService::accept_handler, this, psocket, _1)); } // 有客户端连接时accept_handler触发 void accept_handler(boost::shared_ptr<tcp::socket> psocket, error_code ec) { if (ec) return; // 再次递归调用start()函数继续等待新连接进入 start(); // 显示远程IP std::cout << "远端IP: " << psocket->remote_endpoint().address() << std::endl; // 发送信息(非阻塞) boost::shared_ptr<std::string> pstr(new std::string("hello lyshark")); // 绑定 IOService::write_handler 回调函数,当发送完成后,自动触发 write_handler psocket->async_write_some(buffer(*pstr),boost::bind(&IOService::write_handler, this, pstr, _1, _2)); } // 异步写操作完成后write_handler触发 void write_handler(boost::shared_ptr<std::string> pstr,error_code ec, size_t bytes_transferred) { if (!ec) std::cout << *pstr << " 已发送" << std::endl; }private: io_service &m_iosev; ip::tcp::acceptor m_acceptor;};int main(int argc, char* argv[]){ io_service io; IOService server(io); server.start(); io.run(); return 0;}
客户端代码
#include <iostream>#include <string>#include <boost/asio.hpp>using namespace boost::asio;int main(int argc, char *argv[]){ io_service io_service; ip::tcp::endpoint ep(ip::address::from_string("127.0.0.1"), 1000); ip::tcp::socket socket(io_service); socket.connect(ep); char buffer[1024] = { 0 }; socket.read_some(boost::asio::buffer(buffer)); std::cout << buffer << std::endl; std::system("pause"); return 0;}