boost asio 异步服务器

从后端到QT2024-12-23 12:00

boost网络框架使用方法

boost绑定

首先介绍io_context，可以理解为这是操作系统和应用层数据交互的桥梁。有了它不必关注内核态的缓冲区，只需要关注自己定义在用户态的缓冲区，因为它会通过桥梁运输到用户态的缓冲区。

cpp 复制代码 
boost::asio::io_context io_context;

endpoint 就是我们的服务器ip+port，boost已经封装好了。

cpp 复制代码 
tcp::endpoint(tcp::v4(), port)
tcp::endpoint(tcp::v6(), port)

resolver 就是dns解析，这个步骤一般是由客户端进行，解析www.baidu.com -> ip 8.xxx.1.25

cpp 复制代码 
tcp::resolver resolver(io_context);
tcp::resolver::results_type endpoints_ = resolver.resolve(host, port);

boost::asio::async_connect(socket_,      
                      endpoints_,        // 连接地址
           connect_success_cb);

小总结

这小部分主要就是socket绑定的内容。后续我们关注重点放在发送和接收数据。

读写api

同步

首先搞明白为什么同步？为什么阻塞？

因为我们是在应用层调用send，会拷贝到内核态。最后内核态再通过网卡接口发出数据！所有当内核态空间占满，我们就需要阻塞等待，直到缓冲区有空间。这就是阻塞原因。对于同步，通常指的是多线程或多进程之间的协调，以确保在访问共享资源时不会产生冲突。描述的是编程方式，它更符合人类逻辑。

写

write_some 可以每次向指定的空间写入固定的字节数，如果写缓冲区满了，就只写一部分，返回写入的字节数。

write 可以一次性将所有数据发送给对端，如果发送缓冲区满了则阻塞，直到发送缓冲区可用，将数据发送完成。

send 一次性将buffer中的内容发送给对端，如果有部分字节因为发送缓冲区满无法发送，则阻塞等待，直到发送缓冲区可用，则继续发送完成。泛型编程api，就是不是通过对象调用，是传参调用。

cpp 复制代码 
total_bytes_written += sock.write_some(
   asio::buffer(buf.c_str()+total_bytes_written, 
   buf.length()- total_bytes_written)
);

sock.send(asio::buffer(buf.c_str(), buf.length()));

asio::write(sock, asio::buffer(buf.c_str(), buf.length()));

读

read_some 同步读和同步写类似

read_until 一直读取，直到读取指定字符结束

read 一次性同步读取对方发送的数据

receive 一次性同步接收对方发送的数据

cpp 复制代码 
total_bytes_read += sock.read_some(
   asio::buffer(buf + total_bytes_read,
    MESSAGE_SIZE - total_bytes_read)
);

int receive_length =  sock.receive(asio::buffer(buffer_receive, BUFF_SIZE));
int receive_length = asio::read(sock, asio::buffer(buffer_receive, BUFF_SIZE));
asio::read_until(sock, buf, '\n');

总结

为什么要提供这些api?

其实这里涉及到粘包问题：三个解决方案

1.读固定字节 2.读特定符号停止 比如"\r\n" 3.header + body形式 头部放body长度。

write_some 可以每次向指定的空间写入固定的字节数。

read_until 一直读取，直到读取指定字符结束。

read和send recvice/writer 一次阻塞读完，能保证数据不丢。

异步非阻塞

什么是异步非阻塞？一句话就是调用api，直接返回做后面的事情（比如举例是输出std::cout xxx事情）当数据准备好了，内核态调用我们给定cb函数，处理数据。

async_read 和async_write:

  • 异步读取数据到指定的缓冲区中。当读取完成时,会调用传入的回调函数
  • 回调函数参数:
    • boost::system::error_code: 表示读取操作的错误状态
    • std::size_t: 表示实际读取的字节数
cpp 复制代码 
template <typename AsyncReadStream, typename MutableBufferSequence, typename ReadHandler>
void async_read(
AsyncReadStream& s                      //socket
, const MutableBufferSequence& buffers  //读取数据的缓冲区,可以是单个缓冲区或多个缓冲区序列
, ReadHandler&& handler                  //读取完毕cb
);

//同理
void async_write(
AsyncWriteStream& s
, const ConstBufferSequence& buffers    //写入数据的缓冲区,可以是单个缓冲区或多个缓冲区序列
, WriteHandler&& handler                //写入完毕cb处理
);

async_write_some和async_read_some:与 async_write 不同的是, async_write_some 并不保证能够写入全部的数据,而是写入尽可能多的数据。当写入的字节数小于缓冲区的总长度时, async_write_some 会在下次被调用时继续写入剩余的数据。该函数适用于无法一次性写入全部数据的情况,比如当发送的数据量很大时。async_read_some同理

cpp 复制代码 
void do_write(boost::asio::ip::tcp::socket& socket, const std::vector<char>& data)
{
    socket.async_write_some(boost::asio::buffer(data),
                            [](boost::system::error_code ec, std::size_t bytes_transferred) {
                                // 写操作完成后的回调处理
                            });
}

void do_read(boost::asio::ip::tcp::socket& socket, std::vector<char>& buffer)
{
    socket.async_read_some(boost::asio::buffer(buffer),
                           [](boost::system::error_code ec, std::size_t bytes_transferred) {
                               // 读操作完成后的回调处理
                           });
}

关于boost::asio::buffer()

buffer()函数:接受原生指针和长度,创建缓冲区对象,支持的容器类型:可以直接使用 std::vector、std::array 等作为缓冲区

  • asio::mutable_buffer 和 asio::const_buffer:分别表示可读写和只读的缓冲区，实现read write分离，防止只读被改
  • buffers_iterator类:用于遍历缓冲区内容

缓冲区使用场景:

  • 多个缓冲区组合:可以使用 buffers() 函数将多个缓冲区组合成一个
  • 动态缓冲区:可以使用 dynamic_buffer() 函数创建可增长的动态缓冲区

缓冲区生命周期管理:

  • 缓冲区对象的生命周期应与 I/O 操作保持一致，比如我们举例是session中的成员
  • 可以使用 lambda 捕获局部变量作为缓冲区,也可以使用智能指针管理动态分配的缓冲区

总结

本质来说api基本一致，只是调用回调cb频率不同，原版本读完整段调用cb,some版本每次读一点就会调用。有点像网络et lt两种模式，对于读事件 我认为et最佳 写事件lt最佳。

Client端

cpp 复制代码 
#include <boost/asio.hpp>
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <string>
#include <thread>
#include <vector>
#include <atomic>

using boost::asio::ip::tcp;
std::atomic<uint64_t> total_requests(0);
std::atomic<uint64_t> total_bytes(0);

class Client {
public:
    Client(boost::asio::io_context& io_context, 
           const std::string& host, 
           const std::string& port,
           size_t msg_size,
           size_t num_requests)
        : socket_(io_context),
          message_(msg_size, 'A'),
          num_requests_(num_requests) {
        // 解析服务器地址
        tcp::resolver resolver(io_context);
        endpoints_ = resolver.resolve(host, port);
        // 连接服务器
        do_connect();
    }

private:
    void do_connect() {
        // 异步连接服务器
        boost::asio::async_connect(socket_,                          // 异步连接
                                    endpoints_,                      // 连接地址
            [this](boost::system::error_code ec, const tcp::endpoint&) {
                if (!ec) {
                    do_write();
                }
            });
        
    }

    void do_write() {
        // 如果请求数达到最大，则停止写入
        if (requests_sent_ >= num_requests_) return;    

        boost::asio::async_write(socket_,                        // 异步写入
            boost::asio::buffer(message_),                      // 写入缓冲区
            [this](boost::system::error_code ec, std::size_t length) {
                // 写入数据成功后，增加请求计数和字节计数
                if (!ec) {
                    total_bytes += length;
                    do_read(); // 读取服务器响应
                }
            });
    }

    void do_read() {
        boost::asio::async_read(socket_,                        // 异步读取
            boost::asio::buffer(read_buffer_),                  // 读取缓冲区
            boost::asio::transfer_exactly(message_.size()),     // 读取固定大小的数据
            [this](boost::system::error_code ec, std::size_t /*length*/) {
                if (!ec) {
                    ++requests_sent_;
                    ++total_requests;
                    do_write(); // 继续写入数据
                }
            });
    }

    tcp::socket socket_;
    std::string message_;
    std::vector<char> read_buffer_{std::vector<char>(1024)};
    tcp::resolver::results_type endpoints_;
    size_t requests_sent_ = 0;
    size_t num_requests_;
};
// ./client localhost 8080 10 1024 1000 
// 参数说明：
// localhost：服务器地址
// 8080：服务器端口
// 10：并发客户端数量
// 1024：消息大小（字节）
// 1000：每个客户端发送的请求数
int main(int argc, char* argv[]) {
    try {
        if (argc != 6) {
            std::cerr << "Usage: client <host> <port> <num_clients> <msg_size> <requests_per_client>\n";
            return 1;
        }

        std::string host = argv[1];
        std::string port = argv[2];
        int num_clients = std::atoi(argv[3]);
        size_t msg_size = std::atoi(argv[4]);
        size_t requests_per_client = std::atoi(argv[5]);

        boost::asio::io_context io_context;
        std::vector<std::shared_ptr<Client>> clients;

        // 创建多个客户端
        for (int i = 0; i < num_clients; ++i) {
            clients.push_back(
                std::make_shared<Client>(io_context, host, port, msg_size, requests_per_client)
            );
        }

        // 记录开始时间
        auto start_time = std::chrono::high_resolution_clock::now();

        // 运行IO上下文
        std::vector<std::thread> threads;
        //根据cpu核心数创建线程
        int thread_pool_size = std::thread::hardware_concurrency();

        for (int i = 0; i < thread_pool_size; ++i) {
            threads.emplace_back([&io_context]() {
                io_context.run();
            });
        }

        // 每秒输出统计信息
        uint64_t last_requests = 0;
        while (total_requests < (num_clients * requests_per_client)) {
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
            uint64_t current_requests = total_requests;
            uint64_t requests_per_second = current_requests - last_requests;
            double mb_per_second = (total_bytes - (last_requests * msg_size)) / (1024.0 * 1024.0);
            
            std::cout << "Requests/sec: " << requests_per_second 
                      << ", Throughput: " << mb_per_second << " MB/s\n";
            
            last_requests = current_requests;
        }

        // 计算总时间和平均性能
        auto end_time = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end_time - start_time);
        
        double total_time = duration.count() / 1000.0;
        double avg_requests_per_second = total_requests / total_time;
        double total_mb = total_bytes / (1024.0 * 1024.0);
        double avg_mb_per_second = total_mb / total_time;

        std::cout << "\nTest completed:\n"
                  << "Total time: " << total_time << " seconds\n"
                  << "Average requests/sec: " << avg_requests_per_second << "\n"
                  << "Average throughput: " << avg_mb_per_second << " MB/s\n";

        // 等待所有线程完成
        for (auto& thread : threads) {
            thread.join();
        }

    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << "\n";
    }

    return 0;
}

server端

cpp 复制代码 
#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/bind/bind.hpp>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <thread>
#include <vector>

#include <sys/socket.h>

using boost::asio::ip::tcp;

// 会话类，处理单个客户端连接
class Session : public std::enable_shared_from_this<Session>
{
public:
    Session(tcp::socket socket) : socket_(std::move(socket)) {}

    void start()
    {
        do_read();

        // 直接返回 可以做其他事情
        std::cout << "start" << std::endl;
    }

private:
    void do_read()
    {
        // 给回调函数续生命周期
        auto self(shared_from_this());
        socket_.async_read_some(
            boost::asio::buffer(data_, max_length),
            [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length)
            {
                if (!ec)
                {
                    // 立即回复相同的数据（echo服务器）
                    do_write(length);
                }
            });

        // 直接返回 可以做其他事情
        std::cout << "do_read" << std::endl;
    }

    void do_write(std::size_t length)
    {
        auto self(shared_from_this());
        boost::asio::async_write(
            socket_,
            boost::asio::buffer(data_, length),
            [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t /*length*/)
            {
                if (!ec)
                {
                    do_read();
                }
            });

        // 直接返回 可以做其他事情
        std::cout << "do_write" << std::endl;
    }

    tcp::socket socket_;
    enum
    {
        max_length = 1024
    };
    char data_[max_length];
};


// 服务器类
class Server
{
    ServerOptions options;

public:
    Server(boost::asio::io_context &io_context, short port)
        : acceptor_(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port))
    {
        
        // 开始接受连接
        do_accept();
    }

private:
    void do_accept()
    {
        // 接受一个连接
        acceptor_.async_accept(
            [this](boost::system::error_code ec, tcp::socket socket)
            {
                if (!ec)
                {
                    std::make_shared<Session>(std::move(socket))->start();
                }
                // 继续接受连接
                do_accept();
            });

        // 直接返回 可以做其他事情
        std::cout << "do_accept" << std::endl;
    }

    tcp::acceptor acceptor_;
};
/// @brief  ./server 8080
/// @param argc
/// @param argv
/// @return
int main(int argc, char *argv[])
{
    try
    {
        if (argc != 2)
        {
            std::cerr << "Usage: server <port>\n";
            return 1;
        }

        boost::asio::io_context io_context;

        // 创建服务器实例
        Server s(io_context, std::atoi(argv[1]));

        // 创建线程池
        std::vector<std::thread> threads;
        // 根据cpu核心数创建线程池
        int thread_pool_size = std::thread::hardware_concurrency();

        std::cout << "Server starting with " << thread_pool_size << " threads\n";

        // 创建多个工作线程
        for (int i = 0; i < thread_pool_size; ++i)
        {
            threads.emplace_back([&io_context]()
                                 { io_context.run(); });
        }

        // 等待所有线程完成
        for (auto &thread : threads)
        {
            thread.join();
        }
    }
    catch (std::exception &e)
    {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << "\n";
    }

    return 0;
}

boost提供tcp参数设置

有些参数仅限于linux平台

cpp 复制代码 
class ServerOptions
{
public:
    // 端口重用（仅在 Linux 下支持）
    /*
    问题:当服务器程序退出后,短时间内无法重新绑定到相同的端口。
    解决:通过设置端口重用选项,可以在服务器程序退出后立即重新绑定到相同端口,提高服务器的可用性。
    */
    bool reuse_address = true; // 地址重用
    bool reuse_port = true;    // 端口重用

    // 设置 TCP_NODELAY（禁用 Nagle 算法）
    /*
    问题:Nagle 算法会缓存小数据包,导致延迟增大,不适用于实时性要求高的应用。
    解决:禁用 Nagle 算法可以立即发送数据,减少延迟,适用于实时通信场景。
    */
    bool no_delay = true; // 禁用 Nagle 算法
                          
    /*
    问题:立即关闭连接时,可能会有未发送完的数据,导致连接中断。
    解决:启用 linger 选项可以延迟关闭连接,确保数据完整发送。
    */
    bool linger = true;      // 延迟关闭
    int linger_timeout = 30; // 延迟关闭超时时间

    // 设置阻塞/非阻塞模式
    /*
    问题:阻塞模式下,accept() 会阻塞等待连接,影响并发处理能力。
    解决:启用非阻塞模式可以提高并发处理能力,适用于高并发场景。
    */
    bool non_blocking = true; // 非阻塞模式
    int backlog_size = 100;   // 监听队列大小

    
    // 设置监听队列大小（backlog） 需要设置ip重用
    /*
    问题:监听队列大小不足,导致连接请求被丢弃。
    解决:增加监听队列大小可以提高连接处理能力,避免连接请求被丢弃。 有效抵御ddos攻击
    在linux下需要更改系统配置才可使用
        # 通过 sysctl 命令临时修改
        sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_max_syn_backlog=2048
        # 或者修改配置文件 /etc/sysctl.conf 永久生效
        net.ipv4.tcp_max_syn_backlog=2048
    */
    int tcp_acceptor_queue_size = 100;

    // 设置紧急数据处理（Out-Of-Band Data）
    /*
    问题：某些应用需要处理紧急数据。
    解决：通过设置 SO_OOBINLINE 选项来内联处理紧急数据。
    */
    int oobinline = 0;
    // 设置发送超时
    /*
    问题：发送操作可能会永久阻塞。
    解决：设置发送超时时间，避免永久阻塞。
    */
    long send_timeout_sec = 10; // 10s
    long send_timeout_mil = 0;  // 0ms

    // 设置 keep-alive
    /*
    问题:客户端异常断开时,服务器无法及时检测到,从而占用不必要的资源。
    解决:启用 keep-alive 选项可以定期检测客户端连接状态,及时释放无效连接。
    */
    bool keep_alive = true;       // 保持连接
    int keep_alive_idle = 60;     // 空闲时间（秒）
    int keep_alive_interval = 10; // 探测间隔（秒）
    int keep_alive_count = 3;     // 探测次数

    /*
    问题:默认的缓冲区大小可能无法满足应用程序的需求。
    解决:根据实际情况调整缓冲区大小,可以提高 I/O 性能。
    */
    int send_buffer_size = 8192;    // 发送缓冲区大小
    int receive_buffer_size = 8192; // 接收缓冲区大小

    void tcp_opts(tcp::acceptor &acceptor_)
    {

// 设置地址重用
acceptor_.set_option(boost::asio::socket_base::reuse_address(reuse_address));
// 设置端口重用（仅 Linux 平台支持）
#ifdef __linux__
    int option = reuse_port ? 1 : 0;
    setsockopt(acceptor_.native_handle(), SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &option, sizeof(option));
#endif
       
        // 设置紧急数据处理（Out-Of-Band Data）
        setsockopt(acceptor_.native_handle(), SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE,
                   &oobinline, sizeof(oobinline));

        struct timeval send_timeout;
        send_timeout.tv_sec = send_timeout_sec;
        send_timeout.tv_usec = send_timeout_mil;
        // 设置发送超时
        setsockopt(acceptor_.native_handle(), SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO,
                   &send_timeout, sizeof(send_timeout));
        // 设置 TCP_NODELAY（禁用 Nagle 算法）
        acceptor_.set_option(boost::asio::ip::tcp::no_delay(no_delay));
        // 设置 keep-alive
        acceptor_.set_option(boost::asio::socket_base::keep_alive(keep_alive));
#ifdef __linux__
        /*
                TCP Keepalive 详细配置：
                    TCP_KEEPIDLE：空闲多久后开始探测
                    TCP_KEEPINTVL：探测的间隔时间
                    TCP_KEEPCNT：探测的最大次数
        */
        setsockopt(acceptor_.native_handle(), IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE,
                   &keep_alive_idle, sizeof(keep_alive_idle));
        setsockopt(acceptor_.native_handle(), IPPROTO_TCP, TCP_KEEPINTVL,
                   &keep_alive_interval, sizeof(keep_alive_interval));
        setsockopt(acceptor_.native_handle(), IPPROTO_TCP, TCP_KEEPCNT,
                   &keep_alive_count, sizeof(keep_alive_count));
#endif
        // 设置非阻塞模式
        acceptor_.non_blocking(non_blocking);
        // 设置延迟关闭
        acceptor_.set_option(boost::asio::socket_base::linger(linger, linger_timeout));

        // 设置发送缓冲区大小（字节）
        acceptor_.set_option(boost::asio::socket_base::send_buffer_size(send_buffer_size));
        // 设置接收缓冲区大小（字节）
        acceptor_.set_option(boost::asio::socket_base::receive_buffer_size(receive_buffer_size));

        // 这里的 100 是半连接队列的最大长度，可以根据需要调整
        acceptor_.listen(tcp_acceptor_queue_size);
    }
};

使用后

cmake

cpp 复制代码 
# 指定所需的最低 CMake 版本
cmake_minimum_required(VERSION 2.8)

# 设置项目名称
project(BoostCommunication)
# 设置C++标准
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
#debug模式
# 添加调试信息
set(CMAKE_BUILD_TYPE Debug)
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -g")


# 查找Boost库
find_package(Boost REQUIRED COMPONENTS system)

# 设置源文件目录
set(SERVER_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/server)

# server源文件
set(SERVER_SOURCES
    ${SERVER_DIR}/main.cpp
    ${SERVER_DIR}/Session.cpp
    ${SERVER_DIR}/TcpServer.cpp
)
#server头文件
set(SERVER_HEADERS
    ${SERVER_DIR}/Session.h
    ${SERVER_DIR}/TcpServer.h
)

# server include目录的设置
include_directories(${SERVER_DIR})

# 创建服务器可执行文件
add_executable(server ${SERVER_SOURCES} ${SERVER_HEADERS})
# 将服务器目标与 Boost::system 和 pthread 库链接
target_link_libraries(server Boost::system pthread)




set(CLIENT_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/client)
set(CLIENT_SOURCES ${CLIENT_DIR}/client.cpp)

# 添加客户端可执行文件
add_executable(client ${CLIENT_SOURCES})
# 将客户端目标与 Boost::system 和 pthread 库链接
target_link_libraries(client Boost::system pthread)

# 添加自定义的 clean-all 目标
add_custom_target(clean-all
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E remove_directory ${CMAKE_BINARY_DIR}/CMakeFiles
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E remove ${CMAKE_BINARY_DIR}/CMakeCache.txt
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E remove ${CMAKE_BINARY_DIR}/Makefile
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E remove ${CMAKE_BINARY_DIR}/cmake_install.cmake
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E remove_directory ${CMAKE_BINARY_DIR}/client
    COMMAND ${CMAKE_COMMAND} -E remove_directory ${CMAKE_BINARY_DIR}/server
    # COMMENT "Cleaning build directory..."
)
# 启用core dump 
if(UNIX)
    # 设置core dump大小为无限制
    add_custom_target(enable-core-dump
        # 允许生成core文件
        COMMAND ulimit -c unlimited
        # 设置core文件的存储位置和命名格式
        COMMAND echo "core-%e-%p-%t" | sudo tee /proc/sys/kernel/core_pattern
        # 设置core文件的存储位置和命名格式
        COMMAND sysctl -w kernel.core_pattern=/tmp/core-%e-%p-%t
        # 确保目录有写入权限
        COMMAND sudo chmod a+w /tmp
        COMMENT "Enabling core dump... "
        COMMENT "gdb ./server /tmp/core-server-*"
    )
endif()


#输出
message(STATUS "client: ./client localhost 8080 10 1024 1000  ")
message(STATUS "server: ./server 8080")

总结

学习boost asio基本使用,重点关注异步读写数据和socket参数设置。

代码分享

jbj62/cpp新特新和boost

学习资料分享

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