5 异步输入输出Asio
5.1 概述
本章介绍了 Boost C++ 库 Asio，它是异步输入输出的核心。 名字本身就说明了一切：Asio 意即异步输入/输出。 该库可以让 C++ 异步地处理数据，且平台独立。 异步数据处理就是指，任务触发后不需要等待它们完成。 相反，Boost.Asio 会在任务完成时触发一个应用。 异步任务的主要优点在于，在等待任务完成时不需要阻塞应用程序，可以去执行其它任务。
异步任务的典型例子是网络应用。 如果数据被发送出去了，比如发送至 Internet，通常需要知道数据是否发送成功。 如果没有一个象 Boost.Asio 这样的库，就必须对函数的返回值进行求值。 但是，这样就要求待至所有数据发送完毕，并得到一个确认或是错误代码。 而使用 Boost.Asio，这个过程被分为两个单独的步骤：第一步是作为一个异步任务开始数据传输。 一旦传输完成，不论成功或是错误，应用程序都会在第二步中得到关于相应的结果通知。 主要的区别在于，应用程序无需阻塞至传输完成，而可以在这段时间里执行其它操作。
5.2. I/O 服务与 I/O 对象
使用 Boost.Asio 进行异步数据处理的应用程序基于两个概念：I/O 服务和 I/O 对象。 I/O 服务抽象了操作系统的接口，允许第一时间进行异步数据处理，而 I/O 对象则用于初始化特定的操作。 鉴于 Boost.Asio 只提供了一个名为 boost::asio::io_service 的类作为 I/O 服务，它针对所支持的每一个操作系统都分别实现了优化的类，另外库中还包含了针对不同 I/O 对象的几个类。 其中，类 boost::asio::ip::tcp::socket 用于通过网络发送和接收数据，而类 boost::asio::deadline_timer 则提供了一个计时器，用于测量某个固定时间点到来或是一段指定的时长过去了。 以下第一个例子中就使用了计时器，因为与 Asio 所提供的其它 I/O 对象相比较而言，它不需要任何有关于网络编程的知识。
#include <boost/asio.hpp> #include <iostream> void handler(const boost::system::error_code &ec) { std::cout << "5 s." << std::endl; } int main() { boost::asio::io_service io_service; boost::asio::deadline_timer timer(io_service, boost::posix_time::seconds(5)); timer.async_wait(handler); io_service.run(); }
函数 main() 首先定义了一个 I/O 服务 io_service，用于初始化 I/O 对象 timer。 就象 boost::asio::deadline_timer 那样，所有 I/O 对象通常都需要一个 I/O 服务作为它们的构造函数的第一个参数。 由于 timer 的作用类似于一个闹钟，所以 boost::asio::deadline_timer 的构造函数可以传入第二个参数，用于表示在某个时间点或是在某段时长之后闹钟停止。 以上例子指定了五秒的时长，该闹钟在 timer 被定义之后立即开始计时。
虽然我们可以调用一个在五秒后返回的函数，但是通过调用方法 async_wait() 并传入 handler() 函数的名字作为唯一参数，可以让 Asio 启动一个异步操作。 请留意，我们只是传入了 handler() 函数的名字，而该函数本身并没有被调用。
async_wait() 的好处是，该函数调用会立即返回，而不是等待五秒钟。 一旦闹钟时间到，作为参数所提供的函数就会被相应调用。 因此，应用程序可以在调用了 async_wait() 之后执行其它操作，而不是阻塞在这里。
象 async_wait() 这样的方法被称为是非阻塞式的。 I/O 对象通常还提供了阻塞式的方法，可以让执行流在特定操作完成之前保持阻塞。 例如，可以调用阻塞式的 wait() 方法，取代 boost::asio::deadline_timer 的调用。 由于它会阻塞调用，所以它不需要传入一个函数名，而是在指定时间点或指定时长之后返回。
再看看上面的源代码，可以留意到在调用 async_wait() 之后，又在 I/O 服务之上调用了一个名为 run() 的方法。这是必须的，因为控制权必须被操作系统接管，才能在五秒之后调用 handler() 函数。
async_wait() 会启动一个异步操作并立即返回，而 run() 则是阻塞的。因此调用 run() 后程序执行会停止。 具有讽刺意味的是，许多操作系统只是通过阻塞函数来支持异步操作。 以下例子显示了为什么这个限制通常不会成为问题。
#include <boost/asio.hpp> #include <iostream> void handler1(const boost::system::error_code &ec) { std::cout << "5 s." << std::endl; } void handler2(const boost::system::error_code &ec) { std::cout << "10 s." << std::endl; } int main() { boost::asio::io_service io_service; boost::asio::deadline_timer timer1(io_service, boost::posix_time::seconds(5)); timer1.async_wait(handler1); boost::asio::deadline_timer timer2(io_service, boost::posix_time::seconds(10)); timer2.async_wait(handler2); io_service.run(); }
上面的程序用了两个 boost::asio::deadline_timer 类型的 I/O 对象。 第一个 I/O 对象表示一个五秒后触发的闹钟，而第二个则表示一个十秒后触发的闹钟。 每一段指定时长过去后，都会相应地调用函数 handler1() 和 handler2()。
在 main() 的最后，再次在唯一的 I/O 服务之上调用了 run() 方法。 如前所述，这个函数将阻塞执行，把控制权交给操作系统以接管异步处理。 在操作系统的帮助下，handler1() 函数会在五秒后被调用，而 handler2() 函数则在十秒后被调用。
乍一看，你可能会觉得有些奇怪，为什么异步处理还要调用阻塞式的 run() 方法。 然而，由于应用程序必须防止被中止执行，所以这样做实际上不会有任何问题。 如果 run() 不是阻塞的，main() 就会结束从而中止该应用程序。 如果应用程序不应被阻塞，那么就应该在一个新的线程内部调用 run()，它自然就会仅仅阻塞那个线程。
一旦特定的 I/O 服务的所有异步操作都完成了，控制权就会返回给 run() 方法，然后它就会返回。 以上两个例子中，应用程序都会在闹钟到时间后马上结束。
5.3. 可扩展性与多线程
用 Boost.Asio 这样的库来开发应用程序，与一般的 C++ 风格不同。 那些可能需要较长时间才返回的函数不再是以顺序的方式来调用。 不再是调用阻塞式的函数，Boost.Asio 是启动一个异步操作。 而那些需要在操作结束后调用的函数则实现为相应的句柄。 这种方法的缺点是，本来顺序执行的功能变得在物理上分割开来了，从而令相应的代码更难理解。
象 Boost.Asio 这样的库通常是为了令应用程序具有更高的效率。 应用程序不需要等待特定的函数执行完成，而可以在期间执行其它任务，如开始另一个需要较长时间的操作。
可扩展性是指，一个应用程序从新增资源有效地获得好处的能力。 如果那些执行时间较长的操作不应该阻塞其它操作的话，那么建议使用 Boost.Asio. 由于现今的PC机通常都具有多核处理器，所以线程的应用可以进一步提高一个基于 Boost.Asio 的应用程序的可扩展性。
如果在某个 boost::asio::io_service 类型的对象之上调用 run() 方法，则相关联的句柄也会在同一个线程内被执行。 通过使用多线程，应用程序可以同时调用多个 run() 方法。 一旦某个异步操作结束，相应的 I/O 服务就将在这些线程中的某一个之中执行句柄。 如果第二个操作在第一个操作之后很快也结束了，则 I/O 服务可以在另一个线程中执行句柄，而无需等待第一个句柄终止。
要注意，使用线程并不总是值得的。 以上例子的运行会导致不同信息在标准输出流上混合输出，因为这两个句柄可能会并行运行，访问同一个共享资源：标准输出流 std::cout。 这种访问必须被同步，以保证每一条信息在另一个线程可以向标准输出流写出另一条信息之前被完全写出。 在这种情形下使用线程并不能提供多少好处，如果各个独立句柄不能独立地并行运行。
多次调用同一个 I/O 服务的 run() 方法，是为基于 Boost.Asio 的应用程序增加可扩展性的推荐方法。 另外还有一个不同的方法：不要绑定多个线程到单个 I/O 服务，而是创建多个 I/O 服务。 然后每一个 I/O 服务使用一个线程。 如果 I/O 服务的数量与系统的处理器内核数量相匹配，则异步操作都可以在各自的内核上执行。
#include <boost/asio.hpp> #include <boost/thread.hpp> #include <iostream> void handler1(const boost::system::error_code &ec) { std::cout << "5 s." << std::endl; } void handler2(const boost::system::error_code &ec) { std::cout << "5 s." << std::endl; } boost::asio::io_service io_service1; boost::asio::io_service io_service2; void run1() { io_service1.run(); } void run2() { io_service2.run(); } int main() { boost::asio::deadline_timer timer1(io_service1, boost::posix_time::seconds(5)); timer1.async_wait(handler1); boost::asio::deadline_timer timer2(io_service2, boost::posix_time::seconds(5)); timer2.async_wait(handler2); boost::thread thread1(run1); boost::thread thread2(run2); thread1.join(); thread2.join(); }
前面的那个使用两个计时器的例子被重写为使用两个 I/O 服务。 这个应用程序仍然基于两个线程；但是现在每个线程被绑定至不同的 I/O 服务。 此外，两个 I/O 对象 timer1 和 timer2 现在也被绑定至不同的 I/O 服务。
这个应用程序的功能与前一个相同。 在一定条件下使用多个 I/O 服务是有好处的，每个 I/O 服务有自己的线程，最好是运行在各自的处理器内核上，这样每一个异步操作连同它们的句柄就可以局部化执行。 如果没有远端的数据或函数需要访问，那么每一个 I/O 服务就象一个小的自主应用。 这里的局部和远端是指象高速缓存、内存页这样的资源。 由于在确定优化策略之前需要对底层硬件、操作系统、编译器以及潜在的瓶颈有专门的了解，所以应该仅在清楚这些好处的情况下使用多个 I/O 服务。
5.4. 网络编程
虽然 Boost.Asio 是一个可以异步处理任何种类数据的库，但是它主要被用于网络编程。 这是由于，事实上 Boost.Asio 在加入其它 I/O 对象之前很久就已经支持网络功能了。 网络功能是异步处理的一个很好的例子，因为通过网络进行数据传输可能会需要较长时间，从而不能直接获得确认或错误条件。
Boost.Asio 提供了多个 I/O 对象以开发网络应用。 以下例子使用了 boost::asio::ip::tcp::socket 类来建立与中另一台PC的连接，并下载 ‘Highscore’ 主页；就象一个浏览器在指向 www.highscore.de 时所要做的。
#include <boost/asio.hpp> #include <boost/array.hpp> #include <iostream> #include <string> boost::asio::io_service io_service; boost::asio::ip::tcp::resolver resolver(io_service); boost::asio::ip::tcp::socket sock(io_service); boost::array<char, 4096> buffer; void read_handler(const boost::system::error_code &ec, std::size_t bytes_transferred) { if (!ec) { std::cout << std::string(buffer.data(), bytes_transferred) << std::endl; sock.async_read_some(boost::asio::buffer(buffer), read_handler); } } void connect_handler(const boost::system::error_code &ec) { if (!ec) { boost::asio::write(sock, boost::asio::buffer("GET / HTTP 1.1\r\nHost: highscore.de\r\n\r\n")); sock.async_read_some(boost::asio::buffer(buffer), read_handler); } } void resolve_handler(const boost::system::error_code &ec, boost::asio::ip::tcp::resolver::iterator it) { if (!ec) { sock.async_connect(*it, connect_handler); } } int main() { boost::asio::ip::tcp::resolver::query query("www.highscore.de", "80"); resolver.async_resolve(query, resolve_handler); io_service.run(); }
互联网使用了所谓的IP地址来标识每台PC。 IP地址实际上只是一长串数字，难以记住。 而记住象 www.highscore.de 这样的名字就容易得多。 为了在互联网上使用类似的名字，需要通过一个叫作域名解析的过程将它们翻译成相应的IP地址。 这个过程由所谓的域名解析器来完成，对应的 I/O 对象是：boost::asio::ip::tcp::resolver。
因为接收数据需要一个成功的连接，进而需要一次成功的域名解析，所以这三个不同的异步操作要以三个不同的句柄来启动。 resolve_handler() 访问 I/O 对象 sock，用由迭代器 it 所提供的解析后地址创建一个连接。 而 sock 也在 connect_handler() 的内部被使用，发送 HTTP 请求并启动数据的接收。 因为所有这些操作都是异步的，各个句柄的名字被作为参数传递。 取决于各个句柄，需要相应的其它参数，如指向解析后地址的迭代器 it 或用于保存接收到的数据的缓冲区 buffer。
开始执行后，该应用将创建一个类型为 boost::asio::ip::tcp::resolver::query 的对象 query，表示一个查询，其中含有名字 www.highscore.de 以及互联网常用的端口80。 这个查询被传递给 async_resolve() 方法以解析该名字。 最后，main() 只要调用 I/O 服务的 run() 方法，将控制交给操作系统进行异步操作即可。
当域名解析的过程完成后，resolve_handler() 被调用，检查域名是否能被解析。 如果解析成功，则存有错误条件的对象 ec 被设为0。 只有在这种情况下，才会相应地访问 socket 以创建连接。 服务器的地址是通过类型为 boost::asio::ip::tcp::resolver::iterator 的第二个参数来提供的。
调用了 async_connect() 方法之后，connect_handler() 会被自动调用。 在该句柄的内部，会访问 ec 对象以检查连接是否已建立。 如果连接是有效的，则对相应的 socket 调用 async_read_some() 方法，启动读数据操作。 为了保存接收到的数据，要提供一个缓冲区作为第一个参数。 在以上例子中，缓冲区的类型是 boost::array，它来自 Boost C++ 库 Array，定义于 boost/array.hpp.
请留意，read_handler() 在将数据写出至 std::cout 之后，会再次调用 async_read_some() 方法。 这是必需的，因为无法保证仅在一次异步操作中就可以接收到整个网页。 async_read_some() 和 read_handler() 的交替调用只有当连接被破坏时才中止，如当 web 服务器已经传送完整个网页时。 这种情况下，在 read_handler() 内部将报告一个错误，以防止进一步将数据输出至标准输出流，以及进一步对该 socket 调用 async_read() 方法。 这时该例程将停止，因为没有更多的异步操作了。
#include <boost/asio.hpp> #include <string> boost::asio::io_service io_service; boost::asio::ip::tcp::endpoint endpoint(boost::asio::ip::tcp::v4(), 80); boost::asio::ip::tcp::acceptor acceptor(io_service, endpoint); boost::asio::ip::tcp::socket sock(io_service); std::string data = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 13\r\n\r\nHello, world!"; void write_handler(const boost::system::error_code &ec, std::size_t bytes_transferred) { } void accept_handler(const boost::system::error_code &ec) { if (!ec) { boost::asio::async_write(sock, boost::asio::buffer(data), write_handler); } } int main() { acceptor.listen(); acceptor.async_accept(sock, accept_handler); io_service.run(); }
接收器初始化完成后，main() 首先调用 listen() 方法将接收器置于接收状态，然后再用 async_accept() 方法等待初始连接。 用于发送和接收数据的 socket 被作为第一个参数传递。
当一个PC试图建立一个连接时，accept_handler() 被自动调用。 如果该连接请求成功，就执行自由函数 boost::asio::async_write() 来通过 socket 发送保存在 data 中的信息。 boost::asio::ip::tcp::socket 还有一个名为 async_write_some() 的方法也可以发送数据；不过它会在发送了至少一个字节之后调用相关联的句柄。 该句柄需要计算还剩余多少字节，并反复调用 async_write_some() 直至所有字节发送完毕。 而使用 boost::asio::async_write() 可以避免这些，因为这个异步操作仅在缓冲区的所有字节都被发送后才结束。
在这个例子中，当所有数据发送完毕，空函数 write_handler() 将被调用。 由于所有异步操作都已完成，所以应用程序终止。 与其它PC的连接也被相应关闭。
