C++?ASIO實現(xiàn)異步套接字管理詳解

更新時間：2023年08月30日 14:23:16 作者：lyshark

Boost?ASIO（Asynchronous?I/O）是一個用于異步I/O操作的C++庫,該框架提供了一種方便的方式來處理網(wǎng)絡(luò)通信、多線程編程和異步操作,本文介紹了如何通過ASIO框架實現(xiàn)一個簡單的異步網(wǎng)絡(luò)套接字應(yīng)用程序,需要的可以參考下

Boost ASIO（Asynchronous I/O）是一個用于異步I/O操作的C++庫，該框架提供了一種方便的方式來處理網(wǎng)絡(luò)通信、多線程編程和異步操作。特別適用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)，從基本的網(wǎng)絡(luò)通信到復(fù)雜的異步操作，如遠(yuǎn)程控制程序、高并發(fā)服務(wù)器等都可以使用該框架。該框架的優(yōu)勢在于其允許處理多個并發(fā)連接，而不必創(chuàng)建一個線程來管理每個連接。最重要的是ASIO是一個跨平臺庫，可以運(yùn)行在任何支持C++的平臺下。

本章筆者將介紹如何通過ASIO框架實現(xiàn)一個簡單的異步網(wǎng)絡(luò)套接字應(yīng)用程序，該程序支持對Socket套接字的存儲，默認(rèn)將套接字放入到一個Map容器內(nèi)，當(dāng)需要使用時只需要將套接字在容器內(nèi)取出并實現(xiàn)通信，客戶端下線時則自動從Map容器內(nèi)移除，通過對本章知識的學(xué)習(xí)讀者可以很容易的構(gòu)建一個跨平臺的簡單遠(yuǎn)控功能。

AsyncTcpClient 異步客戶端

如下這段代碼實現(xiàn)了一個基本的帶有自動心跳檢測的客戶端，它可以通過異步連接與服務(wù)器進(jìn)行通信，并根據(jù)不同的命令返回不同的數(shù)據(jù)。代碼邏輯較為簡單，但為了保證可靠性和穩(wěn)定性，實際應(yīng)用中需要進(jìn)一步優(yōu)化、處理錯誤和異常情況，以及增加更多的功能和安全性措施。

首先我們封裝實現(xiàn)AsyncConnect類，該類內(nèi)主要實現(xiàn)兩個功能，其中aysnc_connect()方法用于實現(xiàn)異步連接到服務(wù)端，而port_is_open()方法則用于驗證服務(wù)器特定端口是否開放，如果開放則說明服務(wù)端還在線，不開放則說明服務(wù)端離線此處嘗試等待一段時間后再次驗證，在調(diào)用boost::bind()函數(shù)綁定套接字時通過&AsyncConnect::timer_handle()函數(shù)來設(shè)置一個超時等待時間。

進(jìn)入到主函數(shù)中，首先程序通過while循環(huán)讓程序保持持續(xù)運(yùn)行，并通過hander.aysnc_connect(ep, 5000) 每隔5秒驗證是否與服務(wù)端連接成功，如果連接了則進(jìn)入內(nèi)循環(huán)，在內(nèi)循環(huán)中通過hander.port_is_open("127.0.0.1", 10000, 5000)驗證特定端口是否開放，這主要是為了保證服務(wù)端斷開后客戶端依然能夠跳轉(zhuǎn)到外部循環(huán)繼續(xù)等待服務(wù)端上線。而當(dāng)客戶端與服務(wù)端建立連接后則會持續(xù)在內(nèi)循環(huán)中socket.read_some()接收服務(wù)端傳來的特定命令，以此來執(zhí)行不同的操作。

#define BOOST_BIND_GLOBAL_PLACEHOLDERS
#include <iostream>
#include <string>
#include <boost/asio.hpp> 
#include <boost/bind.hpp>  
#include <boost/array.hpp>
#include <boost/date_time/posix_time/posix_time_types.hpp>  
#include <boost/noncopyable.hpp>
using namespace std;
using boost::asio::ip::tcp;
// 異步連接地址與端口
class AsyncConnect
{
public:
	AsyncConnect(boost::asio::io_service& ios, tcp::socket &s)
		:io_service_(ios), timer_(ios), socket_(s) {}
	// 異步連接
	bool aysnc_connect(const tcp::endpoint &ep, int million_seconds)
	{
		bool connect_success = false;
		// 異步連接,當(dāng)連接成功后將觸發(fā) connect_handle 函數(shù)
		socket_.async_connect(ep, boost::bind(&AsyncConnect::connect_handle, this, _1, boost::ref(connect_success)));
		// 設(shè)置一個定時器  million_seconds 
		timer_.expires_from_now(boost::posix_time::milliseconds(million_seconds));
		bool timeout = false;
		// 異步等待 如果超時則執(zhí)行 timer_handle
		timer_.async_wait(boost::bind(&AsyncConnect::timer_handle, this, _1, boost::ref(timeout)));
		do
		{
			// 等待異步操作完成
			io_service_.run_one();
			// 判斷如果timeout沒超時,或者是連接建立了,則不再等待
		} while (!timeout && !connect_success);
		timer_.cancel();
		return connect_success;
	}
	// 驗證服務(wù)器端口是否開放
	bool port_is_open(std::string address, int port, int timeout)
	{
		try
		{
			boost::asio::io_service io;
			tcp::socket socket(io);
			AsyncConnect hander(io, socket);
			tcp::endpoint ep(boost::asio::ip::address::from_string(address), port);
			if (hander.aysnc_connect(ep, timeout))
			{
				io.run();
				io.reset();
				return true;
			}
			else
			{
				return false;
			}
		}
		catch (...)
		{
			return false;
		}
	}
private:
	// 如果連接成功了,則 connect_success = true
	void connect_handle(boost::system::error_code ec, bool &connect_success)
	{
		if (!ec)
		{
			connect_success = true;
		}
	}
	// 定時器超時timeout = true
	void timer_handle(boost::system::error_code ec, bool &timeout)
	{
		if (!ec)
		{
			socket_.close();
			timeout = true;
		}
	}
	boost::asio::io_service &io_service_;
	boost::asio::deadline_timer timer_;
	tcp::socket &socket_;
};
int main(int argc, char * argv[])
{
	try
	{
		boost::asio::io_service io;
		tcp::socket socket(io);
		AsyncConnect hander(io, socket);
		boost::system::error_code error;
		tcp::endpoint ep(boost::asio::ip::address::from_string("127.0.0.1"), 10000);
		// 循環(huán)驗證是否在線
	go_:  while (1)
	{
		// 驗證是否連接成功,并定義超時時間為5秒
		if (hander.aysnc_connect(ep, 5000))
		{
			io.run();
			std::cout << "已連接到服務(wù)端." << std::endl;
			// 循環(huán)接收命令
			while (1)
			{
				// 驗證地址端口是否開放,默認(rèn)等待5秒
				bool is_open = hander.port_is_open("127.0.0.1", 10000, 5000);
				// 客戶端接收數(shù)據(jù)包
				boost::array<char, 4096> buffer = { 0 };
				// 如果在線則繼續(xù)執(zhí)行
				if (is_open == true)
				{
					socket.read_some(boost::asio::buffer(buffer), error);
					// 判斷收到的命令是否為GetCPU
					if (strncmp(buffer.data(), "GetCPU", strlen("GetCPU")) == 0)
					{
						std::cout << "獲取CPU參數(shù)并返回給服務(wù)端." << std::endl;
						socket.write_some(boost::asio::buffer("CPU: 15 %"));
					}
					// 判斷收到的命令是否為GetMEM
					if (strncmp(buffer.data(), "GetMEM", strlen("GetMEM")) == 0)
					{
						std::cout << "獲取MEM參數(shù)并返回給服務(wù)端." << std::endl;
						socket.write_some(boost::asio::buffer("MEM: 78 %"));
					}
					// 判斷收到的命令是否為終止程序
					if (strncmp(buffer.data(), "Exit", strlen("Exit")) == 0)
					{
						std::cout << "終止客戶端." << std::endl;
						return 0;
					}
				}
				else
				{
					// 如果連接失敗,則跳轉(zhuǎn)到等待環(huán)節(jié)
					goto go_;
				}
			}
		}
		else
		{
			std::cout << "連接失敗,正在重新連接." << std::endl;
		}
	}
	}
	catch (...)
	{
		return false;
	}
	std::system("pause");
	return 0;
}

AsyncTcpServer 異步服務(wù)端

接著我們來實現(xiàn)異步TCP服務(wù)器，首先我們需要封裝實現(xiàn)CAsyncTcpServer類，該類使用了多線程來支持異步通信，每個客戶端連接都會創(chuàng)建一個CTcpConnection類的實例來處理具體的通信操作，該服務(wù)器類在連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接斷開時，都會通過事件處理器來通知相關(guān)操作，以支持服務(wù)器端的業(yè)務(wù)邏輯。其頭文件聲明如下所示；

#ifdef _MSC_VER
#define BOOST_BIND_GLOBAL_PLACEHOLDERS
#define _WIN32_WINNT 0x0601
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#endif
#pragma once
#include <thread>
#include <array>
#include <boost\bind.hpp>
#include <boost\noncopyable.hpp>
#include <boost\asio.hpp>
#include <boost\asio\placeholders.hpp>
using namespace boost::asio;
using namespace boost::asio::ip;
using namespace boost::placeholders;
using namespace std;
// 每一個套接字連接,都自動對應(yīng)一個Tcp客戶端連接
class CTcpConnection
{
public:
	CTcpConnection(io_service& ios, int clientId) : m_socket(ios), m_clientId(clientId){}
	~CTcpConnection(){}
	int                        m_clientId;
	tcp::socket                m_socket;
	array<BYTE, 16 * 1024>     m_buffer;
};
typedef shared_ptr<CTcpConnection> TcpConnectionPtr;
class CAsyncTcpServer
{
public:
	class IEventHandler
	{
	public:
		IEventHandler(){}
		virtual ~IEventHandler(){}
		virtual void ClientConnected(int clientId) = 0;
		virtual void ClientDisconnect(int clientId) = 0;
		virtual void ReceiveData(int clientId, const BYTE* data, size_t length) = 0;
	};
public:
	CAsyncTcpServer(int maxClientNumber, int port);
	~CAsyncTcpServer();
	void AddEventHandler(IEventHandler* pHandler){ m_EventHandlers.push_back(pHandler); }
	void Send(int clientId, const BYTE* data, size_t length);
	string GetRemoteAddress(int clientId);
	string GetRemotePort(int clientId);
private:
	void bind_hand_read(CTcpConnection* client);
	void handle_accept(const boost::system::error_code& error);
	void handle_read(CTcpConnection* client, const boost::system::error_code& error, size_t bytes_transferred);
private:
	thread m_thread;
	io_service m_ioservice;
	io_service::work m_work;
	tcp::acceptor m_acceptor;
	int m_maxClientNumber;
	int m_clientId;
	TcpConnectionPtr m_nextClient;
	map<int, TcpConnectionPtr> m_clients;
	vector<IEventHandler*> m_EventHandlers;
};

接著來實現(xiàn)AsyncTcpServer頭文件中的功能函數(shù)，此功能函數(shù)的實現(xiàn)如果讀者不明白原理可自行將其提交給ChatGPT解析，這里就不再解釋功能了。

// By: 朱迎春 (基礎(chǔ)改進(jìn)版)
#include "AsyncTcpServer.h"
// CAsyncTcpServer的實現(xiàn)
CAsyncTcpServer::CAsyncTcpServer(int maxClientNumber, int port)
	: m_ioservice()
	, m_work(m_ioservice)
	, m_acceptor(m_ioservice)
	, m_maxClientNumber(maxClientNumber)
	, m_clientId(0)
{
	m_thread = thread((size_t(io_service::*)())&io_service::run, &m_ioservice);
	m_nextClient = make_shared<CTcpConnection>(m_ioservice, m_clientId);
	m_clientId++;
	tcp::endpoint endpoint(tcp::v4(), port);
	m_acceptor.open(endpoint.protocol());
	m_acceptor.set_option(tcp::acceptor::reuse_address(true));
	m_acceptor.bind(endpoint);
	m_acceptor.listen();
	// 異步等待客戶端連接
	m_acceptor.async_accept(m_nextClient->m_socket, boost::bind(&CAsyncTcpServer::handle_accept, this, boost::asio::placeholders::error));
}
CAsyncTcpServer::~CAsyncTcpServer()
{
	for (map<int, TcpConnectionPtr>::iterator it = m_clients.begin(); it != m_clients.end(); ++it)
	{
		it->second->m_socket.close();
	}
	m_ioservice.stop();
	m_thread.join();
}
// 根據(jù)ID號同步給特定客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)包
void CAsyncTcpServer::Send(int clientId, const BYTE* data, size_t length)
{
	map<int, TcpConnectionPtr>::iterator it = m_clients.find(clientId);
	if (it == m_clients.end())
	{
		return;
	}
	it->second->m_socket.write_some(boost::asio::buffer(data, length));
}
// 根據(jù)ID號返回客戶端IP地址
string CAsyncTcpServer::GetRemoteAddress(int clientId)
{
	map<int, TcpConnectionPtr>::iterator it = m_clients.find(clientId);
	if (it == m_clients.end())
	{
		return "0.0.0.0";
	}
	std::string remote_address = it->second->m_socket.remote_endpoint().address().to_string();
	return remote_address;
}
// 根據(jù)ID號返回端口號
string CAsyncTcpServer::GetRemotePort(int clientId)
{
	map<int, TcpConnectionPtr>::iterator it = m_clients.find(clientId);
	char ref[32] = { 0 };
	if (it == m_clients.end())
	{
		return "*";
	}
	unsigned short remote_port = it->second->m_socket.remote_endpoint().port();
	std::string str = _itoa(remote_port, ref, 10);
	return str;
}
void CAsyncTcpServer::handle_accept(const boost::system::error_code& error)
{
	if (!error)
	{
		// 判斷連接數(shù)目是否達(dá)到最大限度
		if (m_maxClientNumber > 0 && m_clients.size() >= m_maxClientNumber)
		{
			m_nextClient->m_socket.close();
		}
		else
		{
			// 發(fā)送客戶端連接的消息
			for (int i = 0; i < m_EventHandlers.size(); ++i)
			{
				m_EventHandlers[i]->ClientConnected(m_nextClient->m_clientId);
			}
			// 設(shè)置異步接收數(shù)據(jù)
			bind_hand_read(m_nextClient.get());
			// 將客戶端連接放到客戶表中
			m_clients.insert(make_pair(m_nextClient->m_clientId, m_nextClient));
			// 重置下一個客戶端連接
			m_nextClient = make_shared<CTcpConnection>(m_ioservice, m_clientId);
			m_clientId++;
		}
	}
	// 異步等待下一個客戶端連接
	m_acceptor.async_accept(m_nextClient->m_socket, boost::bind(&CAsyncTcpServer::handle_accept, this, boost::asio::placeholders::error));
}
void CAsyncTcpServer::bind_hand_read(CTcpConnection* client)
{
	client->m_socket.async_read_some(boost::asio::buffer(client->m_buffer),
		boost::bind(&CAsyncTcpServer::handle_read, this, client, boost::asio::placeholders::error, boost::asio::placeholders::bytes_transferred));
	return;
	client->m_socket.async_receive(boost::asio::buffer(client->m_buffer),
		boost::bind(&CAsyncTcpServer::handle_read, this, client, boost::asio::placeholders::error, boost::asio::placeholders::bytes_transferred));
	boost::asio::async_read(client->m_socket, boost::asio::buffer(client->m_buffer),
		boost::bind(&CAsyncTcpServer::handle_read, this, client, boost::asio::placeholders::error, boost::asio::placeholders::bytes_transferred));
}
void CAsyncTcpServer::handle_read(CTcpConnection* client, const boost::system::error_code& error, size_t bytes_transferred)
{
	if (!error)
	{
		// 發(fā)送收到數(shù)據(jù)的信息
		for (int i = 0; i < m_EventHandlers.size(); ++i)
		{
			m_EventHandlers[i]->ReceiveData(client->m_clientId, client->m_buffer.data(), bytes_transferred);
		}
		bind_hand_read(client);
	}
	else
	{
		// 發(fā)送客戶端離線的消息
		for (int i = 0; i < m_EventHandlers.size(); ++i)
		{
			m_EventHandlers[i]->ClientDisconnect(client->m_clientId);
		}
		m_clients.erase(client->m_clientId);
	}
}

AsyncTcpServer 類調(diào)用

服務(wù)端首先定義CEventHandler類并繼承自CAsyncTcpServer::IEventHandler接口，該類內(nèi)需要我們實現(xiàn)三個方法，方法ClientConnected用于在客戶端連接時觸發(fā)，方法ClientDisconnect則是在登錄客戶端離開時觸發(fā)，而當(dāng)客戶端有數(shù)據(jù)發(fā)送過來時則ReceiveData方法則會被觸發(fā)。

方法ClientConnected當(dāng)被觸發(fā)時自動將clientId客戶端Socket套接字放入到tcp_client_id全局容器內(nèi)存儲起來，而當(dāng)ClientDisconnect客戶端退出時，則直接遍歷這個迭代容器，找到序列號并通過tcp_client_id.erase將其剔除；

// 客戶端連接時觸發(fā)
virtual void ClientConnected(int clientId)
{
	// 將登錄客戶端加入到容器中
	tcp_client_id.push_back(clientId);
}
// 客戶端退出時觸發(fā)
virtual void ClientDisconnect(int clientId)
{
	// 將登出的客戶端從容器中移除
	vector<int>::iterator item = find(tcp_client_id.begin(), tcp_client_id.end(), clientId);
	if (item != tcp_client_id.cend())
		tcp_client_id.erase(item);
}

而ReceiveData一旦收到數(shù)據(jù)，則直接將其打印輸出到屏幕，即可實現(xiàn)客戶端參數(shù)接收的目的；

// 客戶端獲取數(shù)據(jù)
virtual void ReceiveData(int clientId, const BYTE* data, size_t length)
{
	std::cout << std::endl;
	PrintLine(80);
	std::cout << data << std::endl;
	PrintLine(80);
	std::cout << "[Shell] # ";
}

相對于接收數(shù)據(jù)而言，發(fā)送數(shù)據(jù)則是通過同步的方式進(jìn)行，當(dāng)我們需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，只需要將數(shù)據(jù)字符串放入到一個BYTE*字節(jié)數(shù)組中，并在調(diào)用tcpServer.Send時將所需參數(shù)，套接字ID，緩沖區(qū)Buf數(shù)據(jù)，以及長度傳遞即可實現(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的客戶端；

// 同步發(fā)送數(shù)據(jù)到指定的線程中
void send_message(CAsyncTcpServer& tcpServer, int clientId, std::string message, int message_size)
{
	// 獲取長度
	BYTE* buf = new BYTE(message_size + 1);
	memset(buf, 0, message_size + 1);
	for (int i = 0; i < message_size; i++)
	{
		buf[i] = message.at(i);
	}
	tcpServer.Send(clientId, buf, message_size);
}

客戶端完整代碼如下所示，運(yùn)行客戶端后讀者可自行使用不同的命令來接收參數(shù)返回值；

#include "AsyncTcpServer.h"
#include <string>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <boost/tokenizer.hpp>
using namespace std;
// 存儲當(dāng)前客戶端的ID號
std::vector<int> tcp_client_id;
// 輸出特定長度的行
void PrintLine(int line)
{
	for (int x = 0; x < line; x++)
	{
		printf("-");
	}
	printf("\n");
}
class CEventHandler : public CAsyncTcpServer::IEventHandler
{
public:
	// 客戶端連接時觸發(fā)
	virtual void ClientConnected(int clientId)
	{
		// 將登錄客戶端加入到容器中
		tcp_client_id.push_back(clientId);
	}
	// 客戶端退出時觸發(fā)
	virtual void ClientDisconnect(int clientId)
	{
		// 將登出的客戶端從容器中移除
		vector<int>::iterator item = find(tcp_client_id.begin(), tcp_client_id.end(), clientId);
		if (item != tcp_client_id.cend())
			tcp_client_id.erase(item);
	}
	// 客戶端獲取數(shù)據(jù)
	virtual void ReceiveData(int clientId, const BYTE* data, size_t length)
	{
		std::cout << std::endl;
		PrintLine(80);
		std::cout << data << std::endl;
		PrintLine(80);
		std::cout << "[Shell] # ";
	}
};
// 同步發(fā)送數(shù)據(jù)到指定的線程中
void send_message(CAsyncTcpServer& tcpServer, int clientId, std::string message, int message_size)
{
	// 獲取長度
	BYTE* buf = new BYTE(message_size + 1);
	memset(buf, 0, message_size + 1);
	for (int i = 0; i < message_size; i++)
	{
		buf[i] = message.at(i);
	}
	tcpServer.Send(clientId, buf, message_size);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
	CAsyncTcpServer tcpServer(10, 10000);
	CEventHandler eventHandler;
	tcpServer.AddEventHandler(&eventHandler);
	std::string command;
	while (1)
	{
		std::cout << "[Shell] # ";
		std::getline(std::cin, command);
		if (command.length() == 0)
		{
			continue;
		}
		else if (command == "help")
		{
			printf(" _            ____             _        _   \n");
			printf("| |   _   _  / ___|  ___   ___| | _____| |_  \n");
			printf("| |  | | | | \\___ \\ / _ \\ / __| |/ / _ \\ __| \n");
			printf("| |__| |_| |  ___) | (_) | (__|   <  __/ |_  \n");
			printf("|_____\\__, | |____/ \\___/ \\___|_|\\_\\___|\\__| \n");
			printf("      |___/                                 \n\n");
			printf("Usage: LySocket \t PowerBy: LyShark.com \n");
			printf("Optional: \n\n");
			printf("\t ShowSocket        輸出所有Socket容器 \n");
			printf("\t GetCPU            獲取CPU數(shù)據(jù) \n");
			printf("\t GetMemory         獲取內(nèi)存數(shù)據(jù) \n");
			printf("\t Exit              退出客戶端 \n\n");
		}
		else
		{
			// 定義分詞器: 定義分割符號為[逗號,空格]
			boost::char_separator<char> sep(", --");
			typedef boost::tokenizer<boost::char_separator<char>> CustonTokenizer;
			CustonTokenizer tok(command, sep);
			// 將分詞結(jié)果放入vector鏈表
			std::vector<std::string> vecSegTag;
			for (CustonTokenizer::iterator beg = tok.begin(); beg != tok.end(); ++beg)
			{
				vecSegTag.push_back(*beg);
			}
			// 解析 [shell] # ShowSocket
			if (vecSegTag.size() == 1 && vecSegTag[0] == "ShowSocket")
			{
				PrintLine(80);
				printf("客戶ID \t 客戶IP地址 \t 客戶端口 \n");
				PrintLine(80);
				for (int x = 0; x < tcp_client_id.size(); x++)
				{
					std::cout << tcp_client_id[x] << " \t "
						<< tcpServer.GetRemoteAddress(tcp_client_id[x]) << " \t "
						<< tcpServer.GetRemotePort(tcp_client_id[x]) << std::endl;
				}
				PrintLine(80);
			}
			// 解析 [shell] # GetCPU --id 100
			if (vecSegTag.size() == 3 && vecSegTag[0] == "GetCPU")
			{
				char *id = (char *)vecSegTag[2].c_str();
				send_message(tcpServer, atoi(id), "GetCPU", strlen("GetCPU"));
			}
			// 解析 [shell] # GetMemory --id 100
			if (vecSegTag.size() == 3 && vecSegTag[0] == "GetMemory")
			{
				char* id = (char*)vecSegTag[2].c_str();
				send_message(tcpServer, atoi(id), "GetMEM", strlen("GetMEM"));
			}
			// 解析 [shell] # Exit --id 100
			if (vecSegTag.size() == 3 && vecSegTag[0] == "Exit")
			{
				char* id = (char*)vecSegTag[2].c_str();
				send_message(tcpServer, atoi(id), "Exit", strlen("Exit"));
			}
		}
	}
	return 0;
}