Asio网络库 学习笔记

Boost官网：https://www.boost.org/

Boost库 许可证：

//          Copyright Joe Coder 2004 - 2006.
// Distributed under the Boost Software License, Version 1.0.
//    (See accompanying file LICENSE_1_0.txt or copy at
//          https://www.boost.org/LICENSE_1_0.txt)

1. Asio简介

Asio是一个跨平台的C++网络库，它是Boost库的一部分，它是异步输入输出的核心。Asio提供了一组异步的I/O操作，包括TCP和UDP的socket、定时器、串口等。Asio的核心是一个事件循环，它使用epoll、kqueue、IOCP等系统调用来实现异步I/O操作。Asio的事件循环是单线程的，但是它提供了一些接口来实现多线程的异步操作。

这里引用文章Boost asio 官方教程简介的例子：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。

2. Asio的使用

2.1. Asio的安装

这里举例Unix/Linux 环境下的安装。

Asio是Boost库的一部分，所以要使用Asio，首先要安装Boost库。

1. 下载Boost库

   Boost库的下载地址：https://boostorg.jfrog.io/artifactory/main/release/
   或者 https://sourceforge.net/projects/boost/files/

   首先我们创建一个目录，用来存放Boost库的源码和编译后的库文件。

   # 进入用户目录
   cd ~ 
   # 创建Boost目录
   mkdir Boost  
   # 进入Boost目录
   cd Boost  
   

   然后下载Boost库的源码，这里下载的是Boost 1.83.0版本的源码。

   wget https://boostorg.jfrog.io/artifactory/main/release/1.83.0/source/boost_1_83_0.tar.gz
   

   国内下载可能有点慢。建议用第二个网站。

2. 解压Boost库

   tar -zxvf boost_1_83_0.tar.gz
   

3. 编译Boost库

   cd boost_1_83_0
   ./bootstrap.sh
   ./b2
   

   编译完成后，会有如下提示：

   The Boost C++ Libraries were successfully built!
   
   The following directory should be added to compiler include paths:
   
       /home/username/boost/boost_1_83_0
   
   The following directory should be added to linker library paths:
   
       /home/username/boost/boost_1_83_0/stage/lib
   

   这里的username是你的用户名。

4. 安装Boost库

   sudo ./b2 install
   

注意，由于Asio库使用了C++11的特性，所以编译时最好要加上-std=c++11选项，并且Asio使用了thread进行异步操作，所以编译时要加上-pthread选项。

3. Asio工作原理

这里主要参考Asio官方文档。

对于asio库，程序至少要包含一个io_context对象，这个对象代表程序链接到操作系统的I/O服务。io_context对象提供了一种将事件处理程序与操作系统的I/O服务进行交互的方法。boost::asio::io_contextboost::asio::thread_poolboost::asio::system_context

boost::asio::io_context io_context;

执行I/O操作都需要一个I/O对象，比如socket、定时器、串口等。

boost::asio::ip::tcp::socket socket(io_context);

有两种类型的I/O操作：同步操作和异步操作。同步操作会阻塞当前线程，直到操作完成。异步操作会在操作完成后调用一个事件处理程序。

对于同步操作：

1. 程序在开始阶段需要连接I/O对象。

   socket.connect(server_endpoint);
   

2. I/O对象将请求转发到io_context对象。

3. io_context对象调用操作系统来执行连接操作。

4. 操作系统将操作结果返回到io_context对象。

5. io_context对象将操作产生的任何错误转换为类型的对象。可以将与特定值进行比较，也可以作为布尔值进行测试（其中结果表示没有发生错误）。然后将结果转发回I/O对象。boost::system::error_codeerror_codefalse

6. 如果操作失败，I/O对象将引发一个类型的异常。如果启动操作的代码改为：boost::system::system_error

   boost::system::error_code ec;
   socket.connect(server_endpoint, ec);
   

然后将变量设置为操作的结果，并且不会引发异常。error_codeec

对于异步操作：

1. 您的程序通过调用I/O对象来启动连接操作：

   socket.async_connect(server_endpoint, your_completion_handler);
   

   其中是具有签名的函数或函数对象：your_completion_handler

   void your_completion_handler(const boost::system::error_code& ec);
   

   所需的确切签名取决于正在执行的异步操作。

2. I/O对象将请求转发到io_context对象。

3. io_context对象向操作系统发出信号，表示它应该启动异步连接。

   等待（在同步情况下，此等待将完全包含在连接操作的持续时间内。）
   （官方文档里给的词是 Time passes. 个人认为其含义是io_context对象等待系统响应。按我个人的理解：此时系统并不会立即响应请求，而是将请求放入队列，按照系统调度响应。此时io_context对象可以进行其他操作，也可以进行等待。）

4. 操作系统通过将结果放在队列中来指示连接操作已经完成，该队列准备由io_context对象拾取。
5. 当使用作io_context对象时，程序必须调用（或调用类似的成员函数之一）才能检索结果。在有未完成的异步操作时对块的调用，因此通常在启动第一个异步操作后立即调用它。io_contextio_context::run()io_contextio_context::run()
6. 在对的调用中，I/O执行上下文将操作的结果排成队列，将其转换为，然后将其传递给您的完成处理程序。io_context::run()error_code

4. Asio的使用

4.1 简单使用

下面这个程序用来实现一个简单的UDP广播。

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>

int main() {
    try {
        boost::asio::io_service io_service; // 创建io_service对象
        boost::asio::ip::udp::socket socket(io_service); // 创建socket对象

        // 设置广播地址和端口
        boost::asio::ip::udp::endpoint broadcast_endpoint(
            boost::asio::ip::address::from_string("255.255.255.255"), 50001);

        // 开启广播选项
        socket.open(boost::asio::ip::udp::v4()); // 打开套接字
        socket.set_option(boost::asio::socket_base::broadcast(true)); // 设置广播选项

        // 绑定套接字到本地端口
        boost::asio::ip::udp::endpoint local_endpoint(
            boost::asio::ip::address::from_string("0.0.0.0"), 0);
        socket.bind(local_endpoint); // 绑定套接字到本地端口

        std::string message = "Hello, UDP Broadcast!";
        socket.send_to(boost::asio::buffer(message), broadcast_endpoint);   // 发送广播消息

        std::cout << "Sent message: " << message << std::endl;
    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}