C++ 网络编程之Boost.Asio库

（本文整理自https://legacy.gitbook.com/book/mmoaay/boost-asio-cpp-network-programming-chinese/details）

Boost Asio是一个很强大的实现socket通讯方式的跨平台（windows、linux、solaris、mac os x）解决方案，能同时支持数千个并发的连接。Boost Asio很好地封装了伯克利BSD socket api，支持常用的TCP，UDP，IMCP等协议，并能够使用自定义扩展协议。而且，Boost Asio使用也很简单，只需要引入头文件就可以使用。

其中TCP部分定义了一些用于TCP通信的typedef类型，包括端点类endpoint、套接字类socket、流类iostream，以及接收器acceptor、解析器resolver等。其他通信协议与TCP类似。

endpoint包含IP地址和通信用的端口号。
socket可以在构造时指定使用的协议或者endpoint，或者稍后调用成员函数connect()。连接成功后可以用local_endpoint()和remote_endpoint()获得连接两端的端点信息，用available()获取可读取的字节数，用receive()/read_some()和send()/write_some()读写数据，当操作完成后使用close()函数关闭socket。
acceptor对应Socket API的accept()函数，用于服务器端。acceptor可以像传统socket API一样使用，open()打开端口，bind()绑定再用listen()侦听端口，但更方便的是使用它的构造函数，传入endpoint直接完成这三个动作。

Boost Asio在网路通信、COM串口和文件上成功地抽象了输入输出的概念。你可以基于这些进行同步或异步的输入输出编程，这些函数支持传入包含任意内容的流实例，而不仅仅是一个socket。

read(stream, buffer [, extra options]) async_read(stream, buffer [, extra options], handler) write(stream, buffer [, extra options]) async_write(stream, buffer [, extra options], handler)

同步还是异步？

在构造网络应用时，必要的一步是根据交互场景的需求，决定采取同步还是异步方式进行编程。在同步语境下，socket中的操作是阻塞的，依赖于交互方给出反馈才能继续执行，所以为了不影响主程序的继续运行，一般会创建一个或多个线程来处理在socket上的读写。也就是，同步的服务器/客户端通常是多线程的。

相反的，异步编程是事件驱动的。程序会提供一个回调函数给主程序，当回调函数监听的事件发生时，回调会被调用，并返回操作结果。你需要考虑的是采用阻塞调用和多线程的方式（同步，通常比较简单），或者是更少的线程和事件驱动（异步，通常更复杂）。

下面是一个最基础的同步客户端的例子：

using boost::asio;
io_service service;
ip::tcp::endpoint ep( ip::address::from_string("127.0.0.1"), 2001);
ip::tcp::socket sock(service);
sock.connect(ep);

首先，你的程序至少需要一个io_service实例同底层操作系统的IO服务进行交互。然后指定你想要连接的地址和端口，再建立socket。

下面是一个简单的同步服务器的例子：

typedef boost::shared_ptr<ip::tcp::socket> socket_ptr;
io_service service;
ip::tcp::endpoint ep( ip::tcp::v4(), 2001)); // listen on 2001
ip::tcp::acceptor acc(service, ep);
while ( true) {
    socket_ptr sock(new ip::tcp::socket(service));
    acc.accept(*sock);
    boost::thread( boost::bind(client_session, sock));
}
void client_session(socket_ptr sock) {
    while ( true) {
        char data[512];
        size_t len = sock->read_some(buffer(data));
        if ( len > 0)
            write(*sock, buffer("ok", 2));
    }
}

首先，同样是至少需要一个io_service实例，然后指定你想要监听的端口，再创建一个接收器用来接收客户端的连接。在接下来的循环中，你创建一个虚拟的socket来等待客户端的连接，当一个连接被建立时，你创建一个线程来处理这个连接：如获取请求，进行解析和返回结果。

接下去看一个异步的客户端例子：

using boost::asio;
io_service service;
ip::tcp::endpoint ep( ip::address::from_string("127.0.0.1"), 2001);
ip::tcp::socket sock(service);
sock.async_connect(ep, connect_handler);
service.run();
void connect_handler(const boost::system::error_code & ec) {
    // 如果ec返回成功我们就可以知道连接成功了
}

与同步例子不同的是，通过调用函数async_connect注册了回调函数connect_handler。当异步操作完成时，connect_handler被调用，检查错误代码（ec），如果成功，客户端可以向服务端进行异步地写入。

下面的代码是一个基本的异步服务端例子：

using boost::asio;
typedef boost::shared_ptr<ip::tcp::socket> socket_ptr;
io_service service;
ip::tcp::endpoint ep( ip::tcp::v4(), 2001)); // 监听端口2001
ip::tcp::acceptor acc(service, ep);
socket_ptr sock(new ip::tcp::socket(service));
start_accept(sock);
service.run();
void start_accept(socket_ptr sock) {
    acc.async_accept(*sock, boost::bind( handle_accept, sock, _1) );
}
void handle_accept(socket_ptr sock, const boost::system::error_code &
err) {
    if ( err) return;
    // 从这里开始, 你可以从socket读取或者写入
    socket_ptr sock(new ip::tcp::socket(service));
    start_accept(sock);
}

这里很巧妙的是，在使用这个socket之后，你创建了一个新的socket，然后再次调用start_accept()，用来创建另外一个“等待客户端连接“的异步操作，从而使service.run()循环一直保持忙碌状态。

套接字缓冲区

当从一个套接字读写内容时，你需要一个缓冲区，用来保存读取和写入的数据。缓冲区内存的有效时间必须比I/O操作的时间要长；你需要保证它们在I/O操作结束之前不被释放。

// 非常差劲的代码 ...
void on_read(const boost::system::error_code & err, std::size_t read_bytes)
{ ... }
void func() {
    char buff[512];
    sock.async_receive(buffer(buff), on_read);
}

在我们调用async_receive()之后，buff就已经超出有效范围，它的内存当然会被释放。当我们开始从套接字接收一些数据时，我们会把它们拷贝到一片已经不属于我们的内存中；它可能会被释放，或者被其他代码重新开辟来存入其他的数据，结果就是：内存冲突。

一种有效的解决方式是使用共享指针，让缓冲区在操作结束后自动释放。

struct shared_buffer {
    boost::shared_array<char> buff;
    int size;
    shared_buffer(size_t size) : buff(new char[size]), size(size) {
    }
    mutable_buffers_1 asio_buff() const {
        return buffer(buff.get(), size);
    }
};


// 当on_read超出范围时, boost::bind对象被释放了,
// 同时也会释放共享指针
void on_read(shared_buffer, const boost::system::error_code & err, std::size_t read_bytes) {}
sock.async_receive(buff.asio_buff(), boost::bind(on_read,buff,_1,_2));

shared_buffer类拥有实质的shared_array<>，shared_array<>存在的目的是用来保存shared_buffer实例的拷贝－当最后一个share_array<>元素超出范围时，shared_array<>就被自动销毁了，而这就是我们想要的结果。
因为Boost.Asio会给完成处理句柄保留一个拷贝，当操作完成时就会调用这个完成处理句柄，所以你的目的达到了。那个拷贝是一个boost::bind的仿函数，它拥有着实际的shared_buffer实例。这是非常优雅的！

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