网络编程（5）——模拟伪闭包实现连接的安全回收

钢铁小狗侠2024-09-27 14:16

六、day6

今天学习如何利用C11模拟伪闭包实现连接的安全回收 ，之前的异步服务器为echo模式，但存在安全隐患，在极端情况下客户端关闭可能会导致触发写和读回调函数，二者都进入错误处理逻辑，进而造成二次析构。今天学习如何通过C11智能指针构造伪闭包状态 （将智能指针传给函数对象，如果函数对象不消失，该指针也不会消失），延长session的生命周期，不会发生二次析构的风险。

1）智能指针管理Server

通过智能指针的方式管理Session类，将acceptor接收的链接保存在Session类型 的智能指针里。由于智能指针会在引用计数为0时自动析构，所以为了防止其被自动回收，也方便Server管理Session，因为我们后期会做一些重连踢人等业务逻辑，我们在Server类中添加成员变量，该变量为一个map类型，key为Session的uid，value为该Session的智能指针。

复制代码 
class Server
{
private:
	void start_accept();  // 启动一个acceptor
	// 当acceptor接收到连接后启动该函数
	void handle_accept(std::shared_ptr<Session> new_session, const boost::system::error_code& error);
	boost::asio::io_context& _ioc;
	tcp::acceptor _acceptor;
	std::map<std::string, std::shared_ptr<Session>> _sessions;
public:
	Server(boost::asio::io_context& ioc, short port);
	void ClearSession(std::string uuid);
};

通过Server中的_sessions这个map管理链接，可以增加Session智能指针的引用计数，只有当Session从这个map中移除后，Session才会被释放。所以在接收连接的逻辑里将Session放入map。

但这里产生了一个问题，为什么new_session在**'}'**结束后仍不结束，而是bind后计数加一？这个问题在文章后面回答。

复制代码 
void Server::start_accept() {
	// make_shared分配并构造一个 std::shared_ptr,_ioc, this是传给Session的参数
	std::shared_ptr<Session> new_session = std::make_shared<Session>(_ioc, this);
	// 开始一个异步接受操作，当new_session的socket与客户端连接成功时，调用https://zhida.zhihu.com/search?content_id=248268386&content_type=Article&match_order=2&q=%E5%9B%9E%E8%B0%83%E5%87%BD%E6%95%B0&zhida_source=entityhandle_accept
	// 为什么new_session在右括号结束后仍不结束，而是bind后计数加一？
	_acceptor.async_accept(new_session->Socket(), std::bind(&Server::handle_accept, this, new_session,
		std::placeholders::_1));
}

// 当handle_accept触发时，也就是start_accept的回调函数被触发，当该回调函数结束后从队列中移除后，new_session的引用计数减一
void Server::handle_accept(std::shared_ptr<Session> new_session, const boost::system::error_code& error) {
	// 如果没有错误（error 为 false），调用 new_session->Start() 来启动与旧客户端的会话
	if (!error) {
		new_session->Start();
		_sessions.insert(std::make_pair(new_session->GetUuid(), new_session));

	}
	else 
	// 无论当前连接是否成功，都重新调用 start_accept()，以便服务器能够继续接受下一个新客户端的连接请求。
	// 服务器始终保持在监听状态，随时准备接受新连接
	start_accept();
}

StartAccept函数中虽然new_session 是一个局部变量 ，但是通过bind操作，将new_session作为数值传递给bind函数，而bind函数返回的函数对象内部引用了该new_session所以引用计数增加1，这样保证了new_session不会被释放。在HandleAccept函数里调用session的start函数监听对端收发数据，并将session放入map中，保证session不被自动释放。

此外，需要封装一个释放函数，将session从map中移除，当其引用计数为0则自动释放

cpp 复制代码 
void Server::ClearSession(std::string uuid) {
	_sessions.erase(uuid);
}

2）Session的uuid

session的uuid可以通过boost提供的生成唯一id的函数获得，也可以自己实现雪花算法

cpp 复制代码 
void Session::HandleWrite(const boost::system::error_code& error) {
    if (!error) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(_send_lock);
        _send_que.pop();
        if (!_send_que.empty()) {
            auto &msgnode = _send_que.front();
            boost::asio::async_write(_socket, boost::asio::buffer(msgnode->_data, msgnode->_max_len),
                std::bind(&CSession::HandleWrite, this, std::placeholders::_1));
        }
    }
    else {
        std::cout << "handle write failed, error is " << error.what() << endl;
        _server->ClearSession(_uuid);
    }
}
void Session::HandleRead(const boost::system::error_code& error, size_t  bytes_transferred){
    if (!error) {
        cout << "read data is " << _data << endl;
        //发送数据
        Send(_data, bytes_transferred);
        memset(_data, 0, MAX_LENGTH);
        _socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, MAX_LENGTH), std::bind(&CSession::HandleRead, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2));
    }
    else {
        std::cout << "handle read failed, error is " << error.what() << endl;
        _server->ClearSession(_uuid);
    }
}

但以上操作仍有造成二次析构的隐患：

正常情况下上述服务器运行不会出现问题，但是当我们像day5一样模拟，在服务器要发送数据前打个断点，此时关闭客户端，在服务器就会先触发写回调函数的错误处理，再触发读回调函数的错误处理，这样session就会两次从map中移除，因为map中key唯一，所以第二次map判断没有session的key就不做移除操作了。

但是这么做还是会有崩溃问题，因为第一次在session写回调函数中移除session，session的引用计数就为0了，调用了session的析构函数，这样在触发session读回调函数时此时session的内存已经被回收了自然会出现崩溃的问题。解决这个问题可以利用智能指针引用计数和bind的特性，实现一个伪闭包的机制延长session的生命周期。

3）构造伪闭包

思路：

  1. 利用智能指针被复制或使用引用计数加一的原理保证内存不被回收
  2. bind操作可以将值绑定在一个函数对象上生成新的函数对象，如果将智能指针作为参数绑定给函数对象，那么智能指针就以值的方式被新函数对象使用，那么智能指针的生命周期将和新生成的函数对象一致，从而达到延长生命的效果。
cpp 复制代码 
	void headle_read(const boost::system::error_code& error, size_t bytes_transferred,
		std::shared_ptr<Session> _self_shared);
	void haddle_write(const boost::system::error_code& error, std::shared_ptr<Session> _self_shared);

以haddle_write举例，在bind时传递_self_shared指针增加其引用计数，这样_self_shared的生命周期就和async_write的第二个参数(也就是asio要求的回调函数对象headle_read)生命周期一致了。

cpp 复制代码 
void Session::haddle_write(const boost::system::error_code& error, std::shared_ptr<Session> _self_shared) {
	if (!error) {
		memset(_data, 0, max_length);
		_socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length),
			std::bind(&Session::headle_read, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, _self_shared));
	}
	else {
		cout << "write error" << error.value() << endl;
		_server->ClearSession(_uuid);
	}
}

同理，headle_read内部也实现了类似的绑定

cpp 复制代码 
void Session::headle_read(const boost::system::error_code& error, size_t bytes_transferred,
	std::shared_ptr<Session> _self_shared) {
	if (!error) {
		cout << "server receive data is " << _data << endl;
		boost::asio::async_write(_socket, boost::asio::buffer(_data, bytes_transferred),
			std::bind(&Session::haddle_write, this, std::placeholders::_1, _self_shared));
	}
	else {
		cout << "read error" << endl;
		_server->ClearSession(_uuid);
	}
}

除此之外，在第一次绑定读写回调函数的时候要传入智能指针的值，但是要注意传入的方式，不能用两个智能指针管理同一块内存，如下用法是错误的

复制代码 
void Session::Start() {
	memset(_data, 0, max_length); // 缓冲区清零
	// 从套接字中读取数据，并绑定回调函数headle_read
	_socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length),
		// 这里可以将shared_ptr<Session>(this)给bind绑定吗？
		// 不可以，会造成多个智能指针绑定同一块内存的问题
		std::bind(&Session::headle_read, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2,
			shared_ptr<CSession>(this)));
}

shared_ptr<CSession>(this)生成的新智能指针和this之前绑定的智能指针new_session并不共享引用计数，所以要通过shared_from_this()函数返回智能指针，该智能指针和其他管理这块内存的智能指针共享引用计数。

复制代码 
void Session::Start() {
	memset(_data, 0, max_length); // 缓冲区清零
	// 从套接字中读取数据，并绑定回调函数headle_read
	_socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length),
		// 这里可以将shared_ptr<Session>(this)给bind绑定吗？
		// 不可以，会造成多个智能指针绑定同一块内存的问题
		std::bind(&Session::headle_read, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2,
			shared_from_this()));
}

shared_from_this()函数并不是session的成员函数，要使用这个函数需要继承std::enable_shared_from_this<Session>

复制代码 
class Session:public std::enable_shared_from_this<Session>
{
private:
	tcp::socket _socket; // 处理客户端读写的套接字
	enum { max_length = 1024 };
	char _data[max_length]; 

	// headle回调函数
	void headle_read(const boost::system::error_code& error, size_t bytes_transferred,
		std::shared_ptr<Session> _self_shared);
	void haddle_write(const boost::system::error_code& error, std::shared_ptr<Session> _self_shared);
	std::string _uuid;
	Server* _server;
public:
	Session(boost::asio::io_context& ioc, Server* server) : _socket(ioc), _server(server){
		// random_generator是函数对象，加()就是函数，再加一个()就是调用该函数
		boost::uuids::uuid a_uuid = boost::uuids::random_generator()();
		_uuid = boost::uuids::to_string(a_uuid);
	}
	tcp::socket& Socket() { return _socket; }
	const std::string& GetUuid() const { return _uuid; }
	void Start();
	
};

再次测试，链接可以安全释放，并不存在二次释放的问题。可以在析构函数内打印析构的信息，发现只析构一次

1. 为什么new_session在'}'结束后仍不结束，而是bind后计数加一？

new_session通过bind绑定时，new_session的计数就会加一，所以在bind后，new_session的生命周期和新构造函数的生命周期相同，因为新生成的函数对象引用了new_session（new_session通过值传递的方式被复制构造函数使用）。所以只要新构造的bind回调函数没有被调用、移除，new_session的生命周期就始终存在，所以new_session不会随着'}'的结束而释放。

bind中的shared_from_this()通过自己生成一个与外界智能指针共享相同引用计数的指针，保证Cession不被释放或者异常释放，因为有可能回调函数还没有调用时，引用Session的应用计数便已经为0，此时如果回调函数被调用，就会发现Session已经被释放。所以为了防止Session被释放，需要生成一个智能指针使得Session的引用计数加一，并传给回调函数，这样能保证回调函数在没有调用之前，一直占用一个Session的引用计数，Session就不会被释放，就达成了一个延时的闭包效果。

总结：使用 std::bind 来绑定 new_session 作为回调参数时，引用计数也会加一，因为 std::bind 内部会将对象拷贝到新生成的函数对象中。这意味着，直到回调函数执行完毕且不再被引用时，new_session 的生命周期才会结束，所以在 } 结束后 new_session 不会被立即销毁。

2. 为什么session执行start函数启动异步操作后会立即将session插入至map种，而不是等异步操作执行完返回后才将session插入map？

复制代码 
new_session->Start();
_sessions.insert(std::make_pair(new_session->GetUuid(), new_session));

代码执行顺序：

1）调用 new_session->Start()：

当 Start() 被调用时，它会启动一些异步操作（如异步读取），但是这些异步操作并不会阻塞当前的执行流。它们只是注册了一个回调函数，并告诉操作系统在相关事件发生（如数据到达、连接完成等）时触发回调。所以，new_session->Start() 启动异步读取操作async_read_some后，控制权立即返回到 handle_accept() 中，而不会等待异步操作完成。

2）插入 _sessions：

new_session->Start() 启动异步操作后，下一条语句 _sessions.insert(...) 会立即执行。由于 insert 操作是同步的，服务器将 new_session 立即插入到 _sessions 容器中，这确保 new_session 在异步操作执行期间不会被销毁。

综上，异步操作是非堵塞的，调用 new_session->Start() 后，程序并不会等待异步操作（如 async_read_some）完成。这些异步操作会在某个事件发生后（如客户端发送数据）触发注册的回调函数，但它们本身不会阻塞代码执行。

3.智能指针new_session的计数增减过程？

1）在 Server::start_accept() 中创建 new_session ，引用计数：1

复制代码 
std::shared_ptr<Session> new_session = std::make_shared<Session>(_ioc, this);

2）绑定到异步接受操作（同理，异步读、异步写都会绑定new_session，只有当异步读写结束之后，new_session的引用计数才会减一） ，引用计数：2

复制代码 
_acceptor.async_accept(new_session->Socket(), std::bind(&Server::handle_accept, this, new_session, std::placeholders::_1));

因为 std::bind 创建了一个闭包，它持有对 new_session 的副本，并将其存储起来，直到异步操作完成并调用回调函数 handle_accept

3）在 Server::handle_accept() 中

复制代码 
void Server::handle_accept(std::shared_ptr<Session> new_session, const boost::system::error_code& error) {
    if (!error) {
        new_session->Start();  // 启动会话
        _sessions.insert(std::make_pair(new_session->GetUuid(), new_session));  // 插入到_sessions中
    }
    start_accept();  // 继续等待新的客户端连接
}
  • 当 handle_accept() 被调用时，new_session 被传递给该函数，作为一个局部的 std::shared_ptr。此时引用计数增加 1，变为 3。
  • 调用 new_session->Start() 后，服务器将 new_session 插入到 _sessions 容器中，引用计数增加 1，变为 4。
  • 此时，new_session 的引用计数如下：
    • 异步操作 async_accept 中持有一个副本。
    • 传递给 handle_accept 时有一个副本。
    • 存储在 _sessions 容器中有一个副本。

4）调用 Session::Start() 并启动异步读取操作

复制代码 
void Session::Start() {
    _socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length),
        std::bind(&Session::headle_read, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, shared_from_this()));
}
  • 在 Start() 函数中，调用 async_read_some() 时，将 shared_from_this() 传递给回调函数 std::bind，创建了另一个 std::shared_ptr<Session>，引用计数增加 1，变为 5。
  • **shared_from_this()**确保了回调函数中使用的 Session 对象不会在异步操作完成前被销毁。因为在headle_read()和haddle_write()函数中的_self_shared参数是通过 shared_from_this() 获得的 std::shared_ptr<Session>，并通过 std::bind 传递到 headle_read 回调函数中，这里的new_session引用指针并不会增加，因为_self_shared始终都只是同一个，所以在异步操作完成前session都不会被销毁，因为引用指针是通过shared_from_this增加的，在异步完成前，引用不会减一。

5）异步读取完成后调用 headle_read()

复制代码 
void Session::headle_read(const boost::system::error_code& error, size_t bytes_transferred,
    std::shared_ptr<Session> _self_shared) {
    if (!error) {
        boost::asio::async_write(_socket, boost::asio::buffer(_data, bytes_transferred),
            std::bind(&Session::haddle_write, this, std::placeholders::_1, _self_shared));
    } else {
        _server->ClearSession(_uuid);
    }
}

引用计数：仍然是 5

在 headle_read 函数中，_self_shared 是 shared_from_this() 传递过来的 std::shared_ptr<Session>，此时 new_session 的引用计数保持不变。如果读取操作成功，继续绑定 async_write 操作，并传递 std::shared_ptr<Session> 给回调函数 haddle_write。如果发生错误，调用 _server->ClearSession(_uuid)，从 _sessions 中删除 new_session，引用计数减少 1，变为 4。

6）异步写入完成后调用 haddle_write()

复制代码 
void Session::haddle_write(const boost::system::error_code& error, std::shared_ptr<Session> _self_shared) {
    if (!error) {
        _socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length),
            std::bind(&Session::headle_read, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, _self_shared));
    } else {
        _server->ClearSession(_uuid);
    }
}

引用计数：保持不变

  • 写入操作完成后，再次启动新的异步读取操作，依然使用 _self_shared 传递给 async_read_some，保持 new_session 的引用计数不变。
  • 如果写入操作失败，调用 _server->ClearSession(_uuid)，从 _sessions 中移除 new_session，引用计数减少 1。

7）客户端断开连接或发生错误时

复制代码 
void Server::ClearSession(std::string uuid) {
    _sessions.erase(uuid);
}

引用计数减少：

  • 当客户端断开连接或发生错误时，ClearSession() 被调用，从 _sessions 容器中删除 new_session。这导致引用计数减少 1。
  • 此时，如果没有其他异步操作绑定 new_session，并且所有与 new_session 相关的回调函数都已经执行完毕，那么引用计数最终会减少到 0。
  • 当所有的异步操作完成，new_session 不再被任何地方持有，引用计数归零，此时 std::shared_ptr 自动销毁 Session 对象，释放其占用的内存。

4.为什么"当 handle_accept() 被调用时，new_session 被传递给该函数，作为一个局部的 std::shared_ptr。此时引用计数增加 1，变为 3"但是"在 headle_read 函数中，_self_shared 是 shared_from_this() 传递过来的 std::shared_ptr<Session>，此时 new_session 的引用计数保持不变。"new_session 同样被传递给该函数，但为什么这里的计数不加一？

**第一种情况：**handle_accept 中传递 new_session

复制代码 
void Server::handle_accept(std::shared_ptr<Session> new_session, const boost::system::error_code& error) {
    if (!error) {
        new_session->Start();  // 启动会话
        _sessions.insert(std::make_pair(new_session->GetUuid(), new_session));  // 插入到_sessions中
    }
    start_accept();  // 继续等待新的客户端连接
}
  • 传递过程： handle_accept 函数接收的是 std::shared_ptr<Session>，也就是说，在调用 handle_accept 时，会将 new_session 作为参数按值传递。
  • **为什么计数增加？：**在按值传递时，new_session 被拷贝了一份，这份拷贝的 std::shared_ptr 在函数内部存在，它持有同一个 Session 对象。这种拷贝操作会增加引用计数，因此当 handle_accept 被调用时，new_session 的引用计数增加 1。
  • **总结：**因为 new_session 是按值传递的，std::shared_ptr 的拷贝操作导致引用计数增加。

**第二种情况：**headle_read 中传递 _self_shared

复制代码 
void Session::headle_read(const boost::system::error_code& error, size_t bytes_transferred,
    std::shared_ptr<Session> _self_shared) {
    if (!error) {
    }
}
  • 传递过程：_self_shared 是通过 shared_from_this() 获得的 std::shared_ptr<Session>，并通过 std::bind 传递到 headle_read 回调函数中。
  • **为什么计数不增加？：**这里的关键在于 _self_shared 并不是按值传递一个新的 std::shared_ptr，而是通过 std::bind 传递的已经存在的 std::shared_ptr（即 shared_from_this() 返回的那个 shared_ptr）。
  • 传递的是同一个 std::shared_ptr 对象： 由于std::bind 是按引用或按值传递 该 shared_ptr 对象（取决于如何绑定），回调函数接收到的是一个已经存在的 std::shared_ptr，而不是新拷贝的 std::shared_ptr。因此，这个传递操作并不会创建新的 shared_ptr 对象，因此不会增加引用计数。_self_shared 是通过参数传递 进入 headle_read 函数的，而不是像 new_session 那样通过 std::bind 进行传递（按值传递 ）。因此，在这个函数的参数传递过程中，不再进一步增加引用计数。换句话说，_self_shared 的引用计数已经通过之前的 shared_from_this() 加一，所以这里不再加一。
  • **总结：**在 headle_read 中，传递的是 shared_from_this() 已经创建的 std::shared_ptr 的引用，传递过程中没有创建新的 shared_ptr 对象，因此引用计数保持不变
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