探究boost::asio::io_service

一、基本介绍

boost::asio::io_service是boost库中实现异步编程的关键组件，它提供了一个事件循环机制，负责处理I/O操作、定时器、信号等事件，同时其多线程支持，可以在多个线程中并行执行任务，增强了程序的并发性。

boost::asio::io_service定义于asio库的头文件中，创建一个io_service对象通常使用默认的构造函数，没有任何参数，如下所示：

boost::asio::io_service io_service;

当有I/O操作（如异步的读写socket）需要进行时，我们需要将该操作添加到io_service的队列中，同时运行io_service，等待事件的发生，代码如下：

io_service.run();

run()方法将会等待io_service中任何派生自boost::asio::io_service::work的对象被引用的引用计数变为0才会退出，也就是说，如果你希望asio库一直工作，就要维护至少一个work对象。

二、工作模式

为了提高程序的性能、并发性，asio库提供了许多多线程支持的类，例如io_service::work，io_service::strand。针对io_service对象，有两种工作模式：

1、单线程模式

在单线程模式下，所有I/O事件都在一个线程中被处理，由于没有线程切换的开销，原生的单线程模式的性能是最好的。一般情况下，我们通常在主线程中创建io_service对象，并且没有任何其他的线程参与，代码如下：

boost::asio::io_service io_service;
//添加恒定的work对象，保证io_service一直工作
boost::asio::io_service::work work(io_service); 
io_service.run();

在这个例子中，我们在io_service的队列中永远存在一个work，所以io_service.run()会一直运行，直到该work被销毁。

2、多线程模式

当有多个线程需要共享I/O操作，如异步socket读写时，我们可以在多个线程中同时运行io_service，代码如下：

boost::asio::io_service io_service;
//添加恒定的work对象，保证io_service一直工作
boost::asio::io_service::work work(io_service);
//创建多个线程执行io_service的run方法
std::vector threads; 
for (std::size_t i = 0; i < num_threads; ++i)
{
    threads.emplace_back([&io_service]() {
        io_service.run();
    });
}
//等待所有线程执行完run方法后再退出
for (auto& t : threads)
{
    t.join();
}

  

在上述代码中，我们先创建了一个io_service对象，并始终保持一个io_service::work对象，然后创建若干线程，每个线程都调用io_service的run()方法以处理I/O事件。最后，等待所有的线程完成run()方法后再退出。

三、io_service::strand（协程）

io_service::strand是另外一个很重要的类，它实现了线程安全的FIFO队列，保证了在同一个strand对象中提交的所有handler被按照提交的先后顺序依次执行（但保证不了跨strand对象的handler之间的顺序）。这种技术和协程类似，又称为“异步协程”。将io_service::strand应用于handler处理程序可以消除并发数据访问所产生的数据竞争和死锁，并且可以保证每个handler的独立执行。

我们通过boost::asio::io_service::strand::wrap()创建一个新的handler，在strand对象中执行，如下代码所示：

boost::asio::io_service::strand strand(io_service);
boost::asio::async_read(socket, buffer,
    strand.wrap([](const boost::system::error_code& ec,
                   std::size_t bytes_transferred) {
        //read完成的回调函数
    })
);

在上述代码中，我们使用async_read方法读取socket的数据，并且将回调函数封装到strand执行，这样就保证了回调的线程安全。

四、定时器（timer）

Asio库中提供了定时器处理机制，这类工作放到io_service的队列中，由io_service在指定时间触发指定handler。代码如下所示：

boost::asio::deadline_timer timer(io_service, boost::posix_time::seconds(5));
timer.async_wait([&](const boost::system::error_code& error){
    if (!error) {
        //定时器超时后执行的操作
    }
});

在上述代码中，我们创建了一个以秒为单位的定时器timer，并在该定时器超时指定时间后进行回调操作。

五、信号（signal）

Asio库还提供了闹钟信号(signal)处理，使用方法与定时器类似，但是信号仅仅对UNIX系统起作用，Windows系统不支持。代码如下所示：

boost::asio::signal_set signals(io_service, SIGINT, SIGTERM);
signals.async_wait([=](const boost::system::error_code& error,
                       int signal_number) {
    //处理信号
    if (!error) {
        io_service.stop();
    }
});

在上述代码中，我们创建了一个信号集合，关注的信号包括SIGINT和SIGTERM，当这两个信号被触发时，程序会执行相关回调函数中的代码。

六、总结

通过对boost::asio::io_service的多个方面的探究，我们了解了该组件实现异步编程的关键性，同时掌握了其多线程支持、协程、定时器、信号等特点。对于实现高效异步编程的应用程序，boost::asio::io_service是一个必须要了解和掌握的工具。