C++网络编程之利用Boost库搭建简单的异步服务器

发表于 2024-8-11 11:15:55

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C++网络编程之利用Boost库搭建简单的异步服务器

技能概述

做什么的：C++ Boost库是一个开源的C++软件库集合，旨在提升C++的标准库的性能和功能。在C++编程中，Boost库通常用于解决一些通用但复杂的题目。
应用：网络通信、异步IO操作、跨平台方案、进步完成任务效率。
学习动机：扩展标准库的功能、进步开发效率。
技能难点：API复杂，学习成本高；相对于主流技能，学习资源少。

技能详述

配置

由于主要在Windows下编程训练，所以只先容Windows下如和配置Boost库。
下载库

Boost库官网下载
解压后文件夹下有个一个bootstrap.bat文件，双击运行会生成b2.exe
然后在boost文件夹下启动cmd，执行 “.\b2.exe toolset=msvc”。执行编译事后，会在stage文件夹下生成lib文件夹，内里就是我们要用到的lib库。

项目中配置Boost库

右键点击项目，选择“属性”打开项目的属性页。在VC++的包含目次中配置boost库的目次位置（就是下载后解压的位置），库目次配置boost库中的stage\lib即可。
或者可以打开属性管理器，自建属性页配置（自建属性页配置好后会有一个文件，可以复用到其他项目，自建属性页所在目次要和）

注意，自建属性页目次要和当前项目的版本同等，如当前是Debug的x64程序，自建属性页就要在Debug | x64目次下。

末了的配置过程和配置项目的属性页一样。
利用Boost库

俗话说得好，饭要一口一口吃，所以先从Boost库中网络编程的比较主要和重要的开始利用。演示程序就是一个回显客户端消息的服务器。架构也很简单。下面我将自顶向下的先容怎样完成其编写及其细节。在此之前，必须要注意到的是，异步操作的执行时机总是不确定，所以代码中会大量地用到shared_ptr等智能指针来主动托管一个对象的生命周期。
基本架构

main

#include "Server.h"
int main(void) {
try {
//创建一个boost库的IO服务，这是boost使用库进行各种IO操作的核心，io_context的旧版本是io_service
boost::asio::io_context ioc;
//实例化化Server类
Server server(ioc, 10086);
//启动IO服务
ioc.run();
}
catch (std::exception& e) {
std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
}
return 0;
}

复制代码

Server

头文件

#pragma once
#include <boost/asio.hpp>
#include <iostream>
#include "Session.h"
#include <memory>
#include <map>
#include "Session.h"
class Session;
class Server
{
public:
//构造函数，引用一个IO服务，同时指定监听的端口
Server(boost::asio::io_context& ioc, unsigned short port);
//按照Session的uuid删除uuid
void ClearSession(const std::string& uuid) {
_sessions.erase(uuid);
}
private:
//开始一个异步的监听socket连接
void start_accept();
//处理收到的socket连接
void handle_accept(std::shared_ptr<Session> new_session, const boost::system::error_code& ec);
//io_context不支持拷贝构造，使用引用方式
boost::asio::io_context& _ioc;
//用于监听连接
boost::asio::ip::tcp::acceptor _acceptor;
//通过智能指针延长Session对象的生命周期
std::map<std::string, std::shared_ptr<Session>> _sessions;
};

复制代码

定义代码

#include "Server.h"
//注意这里的_acceptor的构造方式，接受一个io_context，以及一个端点。这个端点通过一个默认可用的ip和指定端口进行构造。
Server::Server(boost::asio::io_context& ioc, unsigned short port): _ioc(ioc),
_acceptor(ioc, boost::asio::ip::tcp::endpoint(boost::asio::ip::tcp::v4(), port)) {
std::cout << "Server starts on success, using port: " << port << std::endl;
//启动监听
//这么说不是一个严谨的说法，稍后将看到为什么
start_accept();
}
void Server::start_accept() {
//创建一个Session，注意到这里的构造又用到了io_context
auto new_session = std::make_shared<Session>(_ioc, this);
//这里_acceptor执行异步的accept函数
//这里做的事情不是accept，而是往io_context中注册一个accept事件，以及这个事件的处理函数
_acceptor.async_accept(
new_session->Socket(), //传入Session的socket，事件发生时，_acceptor会初始化成连接进来的socket
std::bind( //修饰处理收到连接的方法
&Server::handle_accept,
this,
new_session,
std::placeholders::_1
)
);
}
void Server::handle_accept(std::shared_ptr<Session> new_session, const boost::system::error_code& ec) {
if (ec) {
std::cout << "Error occured in accepting. Errmessage: " << ec.message() << std::endl;
//delete new_session;
}
else { //没有错误
//启动Session
new_session->Start();
_sessions.insert(std::make_pair(new_session->GetUuid(), new_session));
}
//这里无论成功还是失败，都要重新注册一个监听事件给io_context
//以便能够继续监听连接
start_accept();
}

复制代码

源程序

Session

在处置惩罚读写数据时，我们不知道客户端会发多少数据来，同时还要处置惩罚数据粘包的题目。所以服务器和服务端之间的通信采用tlv(type length value)的协议举行通信。由于是回显服务器，type可用省略，在处置惩罚读到的数据时，要先解析头部，再读取头部看客户端发来多少数据。
头文件

#pragma once
#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/uuid/uuid_generators.hpp>
#include <boost/uuid/uuid_io.hpp>
#include "Server.h"
#include <mutex>
#include <queue>
#include "MsgNode.h"
#include <iomanip>
class Server;
class MsgNode;
//注意到这里继承了std::enable_shared_from_this<Session>
//这样可以使得类内部能够使用shared_from_this()统一获取this指针的shared_ptr,shared_ptr的唯一性，防止不同的shared_ptr托管同一个this指针的资源
class Session: public std::enable_shared_from_this<Session>
{
public:
//构造函数
Session(boost::asio::io_context& ioc, Server* server);
boost::asio::ip::tcp::socket& Socket();
//启动读写
void Start();
//发送数据
void Send(char* buf, std::size_t len);
//返回uuid
const std::string& GetUuid() {
return _uuid;
}
~Session() {
std::cout << "delete session: uuid=" << _uuid << std::endl;
}
private:
//处理读事件
void HandleRead(const boost::system::error_code& ec, std::size_t bytes_transferred, std::shared_ptr<Session> _self_ptr);
//处理写事件
void HandleWrite(const boost::system::error_code& ec, std::shared_ptr<Session> _self_ptr);
boost::asio::ip::tcp::socket _socket;
enum {max_length = 1024};
//接受数据的缓冲区
char _data[max_length] = {0};
//发送队列
std::queue<std::shared_ptr<MsgNode>> _send_que;
//队列的锁
std::mutex _send_lock;
//用于标识连接
std::string _uuid;
//引用server，以便能够在读写出错时，清除自身的连接
Server* _server;
//接受消息的节点
std::shared_ptr<MsgNode> _recv_msg_node;
//标识消息头部是否解析完成
bool _b_head_parse;
//头部消息节点
std::shared_ptr<MsgNode> _recv_head_node;
};

复制代码

定义代码

#include "Session.h"
Session::Session(boost::asio::io_context& ioc, Server* server) : _socket(ioc),
_server(server), _b_head_parse(false) {
//为Session生成uuid
boost::uuids::uuid a_uuid = boost::uuids::random_generator()();
_uuid = boost::uuids::to_string(a_uuid);
//初始化消息头，通常头的长度是一个short类型的长度
_recv_head_node = std::make_shared<MsgNode>(HEAD_LENGTH);
}
//返回使用的socket
boost::asio::ip::tcp::socket& Session::Socket() {
return _socket;
}
void Session::Start() {
//对象创建时已初始化_data
//往io_context注册读事件，区别于另一个async_read函数，这里是能读就返回
_socket.async_read_some(
boost::asio::buffer( //构造一个buffer
_data,
max_length
),
std::bind( //修饰处理
&Session::HandleRead,
this,
std::placeholders::_1,
std::placeholders::_2,
//std::make_shared<Session>(this)导致引用计数不同步
shared_from_this()
)
);
}
void Session::Send(char* buf, std::size_t len) {
bool pending = false;
std::lock_guard<std::mutex> guard(_send_lock);
//如果在为加入消息节点之前，队列不为空，说明这个队列的消息正在发送（写完一个消息后，写事件的处理函数还会继续注册写事件，直到队列为空，所以，如果此时有消息，就说明后续还会继续回调写事件，不再需要在这里注册写事件）
if (_send_que.size() > 0) {
pending = true;
}
//往队列投递消息
_send_que.emplace(std::make_shared<MsgNode>(buf, len));
if (pending) {
return;
}
//注册写事件
boost::asio::async_write(
_socket,
boost::asio::buffer(
buf,
len
),
std::bind(
&Session::HandleWrite,
this,
std::placeholders::_1,
shared_from_this()
)
);
}
//由于这里使用async_read_some，一读到数据就返回，所以处理的过程比较繁琐。还可以可以使用async_read,读取指定字节在返回，其内部实现依然是异步的，和async_read_some一样高效。
void Session::HandleRead(const boost::system::error_code& ec, std::size_t bytes_transferred, std::shared_ptr<Session> _self_ptr) {
if (ec) {
std::cout << "Error occured in reading. ErrMessage: " << ec.message() << std::endl;
_server->ClearSession(_uuid);
}
else {
int copy_len = 0;
while (bytes_transferred > 0) {
if (!_b_head_parse) {
//收到的数据不足头部大小
if (bytes_transferred + _recv_head_node->_cur_len < HEAD_LENGTH) {
memcpy(_recv_head_node->_msg + _recv_head_node->_cur_len, _data + copy_len, bytes_transferred);
_recv_head_node->_cur_len += bytes_transferred;
::memset(_data, 0, max_length);
_socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length
),
std::bind(&Session::HandleRead, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, _self_ptr));
return;
}
//收到的数据比头部多
//头部剩余未复制的长度
int head_remain = HEAD_LENGTH - _recv_head_node->_cur_len;
memcpy(_recv_head_node->_msg + _recv_head_node->_cur_len, _data + copy_len, head_remain);
//更新已处理的data长度和剩余未处理的长度
copy_len += head_remain;
bytes_transferred -= head_remain;
//获取头部数据
int data_len = 0;
memcpy(&data_len, _recv_head_node->_msg, HEAD_LENGTH);
std::cout << "data_len is " << data_len << std::endl;
//头部长度非法
if (data_len > max_length) {
std::cout << "invalid data length is " << data_len << std::endl;
_server->ClearSession(_uuid);
return;
}
_recv_msg_node = std::make_shared<MsgNode>(data_len);
//消息的长度小于头部规定的长度，说明数据未收全，则先将部分消息放到接收节点里
if (bytes_transferred < data_len) {
memcpy(_recv_msg_node->_msg + _recv_msg_node->_cur_len, _data + copy_len, bytes_transferred);
_recv_msg_node->_cur_len += bytes_transferred;
::memset(_data, 0, max_length);
_socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length),
std::bind(&Session::HandleRead, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, _self_ptr));
//头部处理完成
_b_head_parse = true;
return;
}
memcpy(_recv_msg_node->_msg + _recv_msg_node->_cur_len, _data + copy_len, data_len);
_recv_msg_node->_cur_len += data_len;
copy_len += data_len;
bytes_transferred -= data_len;
_recv_msg_node->_msg[_recv_msg_node->_tot_len] = '\0';
std::cout << "receive data is " << _recv_msg_node->_msg << std::endl;
//此处可以调用Send发送测试
Send(_recv_msg_node->_msg, _recv_msg_node->_tot_len);
//继续轮询剩余未处理数据
_b_head_parse = false;
_recv_head_node->Clear();
if (bytes_transferred <= 0) {
::memset(_data, 0, max_length);
_socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length),
std::bind(&Session::HandleRead, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, _self_ptr));
return;
}
continue;
}
//已经处理完头部，处理上次未接受完的消息数据
//接收的数据仍不足剩余未处理的
int remain_msg = _recv_msg_node->_tot_len - _recv_msg_node->_cur_len;
if (bytes_transferred < remain_msg) {
memcpy(_recv_msg_node->_msg + _recv_msg_node->_cur_len, _data + copy_len, bytes_transferred);
_recv_msg_node->_cur_len += bytes_transferred;
::memset(_data, 0, max_length);
_socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length),
std::bind(&Session::HandleRead, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, _self_ptr));
return;
}
memcpy(_recv_msg_node->_msg + _recv_msg_node->_cur_len, _data + copy_len, remain_msg);
_recv_msg_node->_cur_len += remain_msg;
bytes_transferred -= remain_msg;
copy_len += remain_msg;
_recv_msg_node->_msg[_recv_msg_node->_tot_len] = '\0';
std::cout << "receive data is " << _recv_msg_node->_msg << std::endl;
//此处可以调用Send发送测试
Send(_recv_msg_node->_msg, _recv_msg_node->_tot_len);
//继续轮询剩余未处理数据
_b_head_parse = false;
_recv_head_node->Clear();
if (bytes_transferred <= 0) {
::memset(_data, 0, max_length);
_socket.async_read_some(boost::asio::buffer(_data, max_length),
std::bind(&Session::HandleRead, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, _self_ptr));
return;
}
continue;
}
}
}
//处理写事件
void Session::HandleWrite(const boost::system::error_code& ec, std::shared_ptr<Session> _self_ptr) {
if (ec) {
std::cout << "Error occured in writting. ErrMessage: " << ec.message() << std::endl;
//delete this;
_server->ClearSession(_uuid);
}
else {
std::lock_guard<std::mutex> guard(_send_lock);
_send_que.pop(); //使用async_write,保证发完指定的字节数
if (!_send_que.empty()) {
auto& msg = _send_que.front();
boost::asio::async_write(
_socket,
boost::asio::buffer(
msg->_msg,
msg->_tot_len
), //使用async_write,可以不做偏移
std::bind(
&Session::HandleWrite,
this,
std::placeholders::_1,
_self_ptr
)
);
}
}
}

复制代码

MsgNode

#pragma once
#include <memory>
#include "Session.h"
const int HEAD_LENGTH = sizeof(int);
class MsgNode
{
public:
friend class Session;
MsgNode(char* msg, int tot_len) :_cur_len(0), _tot_len(tot_len) {
_msg = new char[_tot_len + 1];
memcpy(_msg, &tot_len, HEAD_LENGTH);
memcpy(_msg + HEAD_LENGTH, msg, _tot_len);
_msg[_tot_len] = '\0';
}
MsgNode(int tot_len) : _cur_len(0), _tot_len(tot_len) {
_msg = new char[_tot_len + 1];
memset(_msg, 0, _tot_len + 1);
}
~MsgNode() {
delete[] _msg;
_msg = nullptr;
}
void Clear() {
memset(_msg, 0, _tot_len);
_cur_len = 0;
}
private:
char* _msg;
int _cur_len;
int _tot_len;
};

复制代码

技能利用中碰到的题目息争决过程。

题目

实际上，在项目开始时尽管知道了异步函数执行的时机不能确定，但是怎样延长Session的生命周期使其恰到利益的和注册的读写事件同步，也就是读写事件发生时，Session必须有用，它的读写事件不会再注册后，必须回收它的资源。
解决过程

利用shared_ptr管理Session，同时Session要注册到Server的_sessions。在Session堕落或者对端关闭socket的写端之后，再从Server中利用ClearSession()清除自己。
仅仅这样还是不够的，为什么？因为这个毗连在仅仅在这个事件清除了自己，但是后续大概另有这个毗连的其他事件，这样会使后续事件碰到无效的对象。所以对于每个事件回调，还要拷贝这个Session的shared_ptr，以保证这个Session在这个事件的回调中是有用的。

举行总结。

根据自己的学习路线，这属于项目实战的内容。尽管只先容了一个简单的回显服务器，但是这个例子已经能够很好的体现异步服务器的层次和框架。

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