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Boost ASIO 库深入学习（2）

news 2025/6/9 8:20:39

Boost ASIO 库深入学习（2）

构建简单的TCP协议通信样例

这一片博客承接上面我们讨论的基本的异步编程，来进一步好好了解一下我们如何使用Boost ASIO完成对基于TCP协议栈的CS通信模型。

TCP简单通信导论

在我们开始之前，有必要开始一点简单的碎碎念，这个碎碎念是我们下面编程的一个重要的抓手。那就是理解我们的TCP通信协议的通信模型。这里我们说，我们需要构建的是经典的服务器（提供特定的服务）和经典的客户端（请求服务器的服务和接受服务器的服务）

为了简单起见，我们聊聊最简单的模型。

TCP客户端想要发起一次通信，首先第一步就是创建基本的Socket套接字，既然是TCP模型，那我们说，我们就选用TCP协议作为我们通信的支柱。这个协议要求我们提供服务器所在的IP和端口以供告知Socket如何连接对象。另一方面，TCP作为一个经典的有状态的通信协议，我们自然在连接成功之后，就可以进行持久的序列化的通信（关于TCP通信的细节这里不再赘述，感兴趣的朋友可以参考《计算机网络自顶向下》或者是更进一步的《TCP/IP详解》进一步理解）。

TCP服务端想要成功运作起来，成为一个TCP服务端，他就必须创建基本的Socket套接字（这个没有任何疑问），然后向操作系统申请绑定的IP和端口，一般而言，我们接下来的通信模型要求我们的通信在一个子网中，我们一般会选择绑定到可以被寻找到的（是的，对于公网的服务器，则是使用字符串DNS名称与可访问的IP对组成，对于局域网，则是要求同属于一个子网的IP方便客户端进行访问）的IP和端口。TCP的知名端口号是13号，因此我们稍后的样例中就会尝试绑定13号端口。接下来就是服务器轮循的接受潜在的远程客户端请求。现在双方就进入了通信环节。通信结束，可能是客户端自己主动断开连接，亦或者是服务器结束提供服务不再广播服务。

知晓这个事情，我们下面就可以尝试使用Boost ASIO搭建完成上面的模型了。

构建TCP客户端

#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/io_context.hpp>
#include <exception>
#include <iostream>
#include <ostream>
using boost::asio::ip::tcp;int main(int argc, char* argv[]) {// check arguments to see where to query the serverif (argc != 2) {std::cout << "Error usage: " << argv[0] << " <host>";return 1;}try {// announced the io context for the run sessionsboost::asio::io_context io;// if we are providing a string, consider it is DNS parsable,// normally we will get a locatable iptcp::resolver resolver(io);tcp::resolver::results_type endpoints = resolver.resolve(argv[1], "daytime");tcp::socket socket_type(io);// connect to the server endpointboost::asio::connect(socket_type, endpoints);while (1) {std::array<char, 128> buf;boost::system::error_code error;// read some read sessions of the buffersize_t len = socket_type.read_some(boost::asio::buffer(buf), error);if (error == boost::asio::error::eof)break; // Connection closed cleanly by peer.else if (error)throw boost::system::system_error(error); // Some other error.std::string res = buf.data();// get the message from remotestd::cout << res << std::endl;}} catch (const std::exception& e) {// exception occurs, demos print the sessions and quit the demostd::cout << e.what() << std::endl;}
}

构建TCP同步服务器

#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/ip/tcp.hpp>
#include <chrono>
#include <format>
#include <iostream>
using namespace std::chrono;using my_time_t = std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock,std::chrono::nanoseconds>;
static inline std::string __make_format_date(const year_month_day& ymd,const hh_mm_ss<minutes>& time) {return std::format("{}-{:02}-{:02} {:02}:{:02}",static_cast<int>(ymd.year()),static_cast<unsigned>(ymd.month()),static_cast<unsigned>(ymd.day()),time.hours().count(),time.minutes().count());
}std::string
current_time() {using namespace std;using namespace std::chrono;const my_time_t raw_time = std::chrono::system_clock::now();auto now = floor<minutes>(raw_time);auto days_part = floor<days>(now);year_month_day ymd = year_month_day { days_part };auto time_since_midnight = now - days_part;hh_mm_ss time { time_since_midnight };return __make_format_date(ymd, time);
}int main() {using boost::asio::ip::tcp;try {boost::asio::io_context io_context;tcp::acceptor acceptor(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), 13));for (;;) {tcp::socket socket(io_context);acceptor.accept(socket);std::string message = current_time();boost::system::error_code ignored_error;boost::asio::write(socket, boost::asio::buffer(message), ignored_error);}} catch (std::exception& e) {std::cerr << e.what() << std::endl;}return 0;
}

抛开笔者对我们当前时间的构建，实际上服务器端的代码非常的简单，acceptor就是我们的服务器，在一个巨大的循环中，我们周而复始的接受潜在的客户端的请求，把信息进行交付。

我们编译代码，首先启动服务器（13号端口需要权限才能占用）

[charliechen@Charliechen build]$ sudo ./server 
[sudo] password for charliechen: 
# here the server works, listen the remote client request

下一步就是开一个客户端

[charliechen@Charliechen build]$ ./client 127.0.0.1
2025-06-08 11:00

很好，我们接受到了结果！

异步的TCP服务器

但是你很快会注意到，我们有大量的时间阻塞在了循环等待客户端中，仔细想想，我们完全可以采用一种更加合理的异步的方式，对于没有客户端到来的时候，我们可以做其他的事情，可以睡眠等等让出CPU做其他的事情。

我们下面就用更加激进的异步方式来重写我们的TCP服务器

#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/io_context.hpp>
#include <boost/asio/ip/tcp.hpp>
#include <boost/asio/write.hpp>
#include <chrono>
#include <cstddef>
#include <format>
#include <memory>
#include <print>
#include <thread>
using namespace std::chrono;
using my_time_t = std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock,std::chrono::nanoseconds>;
static inline std::string __make_format_date(const year_month_day& ymd,const hh_mm_ss<minutes>& time) {return std::format("{}-{:02}-{:02} {:02}:{:02}",static_cast<int>(ymd.year()),static_cast<unsigned>(ymd.month()),static_cast<unsigned>(ymd.day()),time.hours().count(),time.minutes().count());
}std::string
current_time() {using namespace std;using namespace std::chrono;const my_time_t raw_time = std::chrono::system_clock::now();auto now = floor<minutes>(raw_time);auto days_part = floor<days>(now);year_month_day ymd = year_month_day { days_part };auto time_since_midnight = now - days_part;hh_mm_ss time { time_since_midnight };return __make_format_date(ymd, time);
}class tcp_connection : public std::enable_shared_from_this<tcp_connection> {
public:using pointer = std::shared_ptr<tcp_connection>;static pointer create(boost::asio::io_context& context) {return pointer(new tcp_connection(context));}boost::asio::ip::tcp::socket& get_socket() {return pvt_socket;}void process_server() {std::string message = current_time();boost::asio::async_write(pvt_socket, boost::asio::buffer(message),[](const boost::system::error_code& ec, size_t bytes_written) {std::println("We have processed: {} bytes", bytes_written);});}private:tcp_connection(boost::asio::io_context& io_context): pvt_socket(io_context) {}boost::asio::ip::tcp::socket pvt_socket;
};using boost::asio::ip::tcp;
class tcp_server {
public:tcp_server(): acceptor(io_context,tcp::endpoint(tcp::v4(), 13)) {run_acceptable();}void run() {io_context.run();}private:void run_acceptable() {tcp_connection::pointer new_connections = tcp_connection::create(io_context);acceptor.async_accept(new_connections->get_socket(), std::bind(&tcp_server::async_accept_callback, this, new_connections, boost::asio::placeholders::error));}void async_accept_callback(tcp_connection::pointer new_connection,const boost::system::error_code& error) {if (!error) {new_connection->process_server();}run_acceptable(); // run again}boost::asio::io_context io_context;tcp::acceptor acceptor;
};int main() {try {tcp_server server;server.run(); // force local run} catch (std::exception& e) {std::println("Error occurs: {}", e.what());}return 0;
}

tcp_connection 类封装了每一个客户端的连接。

class tcp_connection : public std::enable_shared_from_this<tcp_connection>

关键成员：

pvt_socket：boost::asio::ip::tcp::socket，对应一条客户端连接。
process_server()：通过异步写函数 boost::asio::async_write() 把时间写到客户端 socket。
create()：用 make_shared 创建 shared_ptr 实例（注意构造函数是私有的）。

异步写入部分：

boost::asio::async_write(pvt_socket,boost::asio::buffer(message),[](const boost::system::error_code& ec, size_t bytes_written) {std::println("We have processed: {} bytes", bytes_written);});

注意：这里用了 lambda 作为回调，处理写完成后的通知。

3. `tcp_server` 类

这个类是服务器主体，负责监听端口，接受新连接。

关键成员：

boost::asio::io_context io_context：事件循环核心；
tcp::acceptor acceptor：监听 TCP 端口（本程序监听端口 13）；
run()：调用 io_context.run() 启动事件循环；
run_acceptable()：开始异步接受连接。

接收连接逻辑：

void run_acceptable() {tcp_connection::pointer new_connections = tcp_connection::create(io_context);acceptor.async_accept(new_connections->get_socket(),std::bind(&tcp_server::async_accept_callback, this, new_connections, boost::asio::placeholders::error));
}

这一步发起异步接受，等客户端连上后，自动回调 async_accept_callback()。

回调函数逻辑：

void async_accept_callback(tcp_connection::pointer new_connection,const boost::system::error_code& error) {if (!error) {new_connection->process_server(); // 发送时间}run_acceptable(); // 再次等待下一个连接
}