基于Boost::asio的多线程异步TCP服务器

最新推荐文章于 2025-01-12 17:02:32 发布

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分类专栏： C++

原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/kongwei1234/article/details/104778613

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129 篇文章

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本文介绍了一个基于Boost::asio库的多线程异步TCP服务器实现，包括io_service线程池管理和自定义协议头处理。服务器能够处理大规模并发连接，支持文件传输，实现了异常回调和数据读写。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

http://www.cppblog.com/Solstice/default.html?page=6

https://blog.youkuaiyun.com/kongwei1234/article/details/104778613

http://swiftcode.a1feeds.com/United-States/NEW-YORK-NY/JP-MORGAN-CHASE-BANK-NA

基于Boost::asio的多线程异步TCP服务器，实现了io_service线程池，测试了1万左右的并发访问，读写无压力

boost库中的ASIO网络库是目前最流行的几大网络编程框架之一，能支持大规模并发服务器的设计需求，这个库还是很牛逼的。aiso是基于C++进行开发，包含了大量C++11新特性，用它进行服务器开发还是比较方便的，写起来语句也会比较简洁，实现起来比较容易。
博主去年粗略的学习了一下asio，看了网上的许多博客，但是由于对于C++11新特性不熟悉，因此之前一直没有很理解，当时也忙也没有时间系统的学习。最近疫情原因有了很多空闲时间，因此重新学习一下用asio网络库开发服务器。
本篇博客主要实现基于ASIO网络库的异步服务器，所有读写事件都是异步的，并实现了io_service线程池，每个io_service单独运行在一个线程中，通过线程池给每个连接进来的客户端分配io_service。
在用asio进行服务器开发的时候，我们一定要先搞清楚一个概念：
asio中的异步事件，都是通过io_service去管理，在调用run()后，io_service就会去处理当前io_service管理的任务队列中的任务。

代码如下：

#include<iostream>
#include <boost/asio.hpp>
#include <string>
#include <boost/unordered_map.hpp>
using namespace boost::asio::ip;
using namespace std;
#define SERVER_PORT 7000
#define DATA_MAX_LEN 1024;
//数据包头
struct NetPacketHeader
{
   char cFlag; //数据头的标志——填充‘s’
   long nLenth; //要发送的数据大小由于需要发送文件，因此nlenth值可能很大，所以用long
   char cDataType;//接收/发送的数据类型 a-文件列表 b-文件 c-数据文本
   char sFileFormat[4];//如果是文件，这里即为文件格式，如果是文本数据，这里用'\0'填充
   char cSendDc; // 校验码服务器发包填充-"s" 客户端发包填充-"c"
};

class serviceThreadPool
{
   //管理io_service的线程池
   //1.初始化一定数量的io_service，用io_service::work阻塞住，让其不退出
   //2.让io_service运行在不同的线程里，每来一个客户端，分配一个io_service
   std::vector<std::shared_ptr<boost::asio::io_service>> m_ioServiceList;
   std::vector<std::shared_ptr<boost::asio::io_service::work>> m_workList;
   //std::vector<std::thread> m_threadList;
   int m_poolSize;
   int m_io_service_pos; //依次分配io_service
public:
   //在多核的机器上，线程池中的数量最好等于核数
   explicit serviceThreadPool(int pool_size = 4) :m_io_service_pos(0)
   {
       m_poolSize = pool_size > 0 ? pool_size : 1;
       for (int i = 0; i < m_poolSize; i++)
       {
           std::shared_ptr<boost::asio::io_service> io_service(new boost::asio::io_service);
           std::shared_ptr<boost::asio::io_service::work> work(new boost::asio::io_service::work(*io_service));
           m_ioServiceList.push_back(io_service);
           m_workList.push_back(work);
       }
   }
   void startPool()
   {
       for (int i = 0; i < m_poolSize; i++) {

           std::thread runThread([=] {
               m_ioServiceList[i]->run();
           });
           runThread.detach();
       }
   }
   void stop()
   {
       for (int i = 0; i < m_poolSize; i++)
       {
           m_ioServiceList[i]->stop();
       }
   }
   boost::asio::io_service& get_io_service()
   {
       //通过这个函数分配io_service
       boost::asio::io_service& io_service = *m_ioServiceList[m_io_service_pos++];
       if (m_io_service_pos == m_poolSize - 1)m_io_service_pos = 0;
       return io_service;
   }

};

class rwhandler
{

#define MSG_HEAD_SIZE 16 //包头大小
   //由于读写操作时，socket要与读写操作的递归函数进行绑定，
   //因此这里单独实现一个读写类，用来处理，每一个连接进来的客户端的读写事件
   tcp::socket m_socket;
   unsigned char *m_getData;
   int m_clientId;
   std::function<void(int)> m_callbackError; //异常回调函数
public:
   explicit rwhandler(boost::asio::io_service& ios) :m_socket(ios)
   {
       m_getData = new unsigned char[1024];
       printf("rwhandler create \n");
   }
   ~rwhandler() {
       delete[]m_getData;
       printf("rwhandler distroy \n");
   }
   tcp::socket& getSock()
   {
       return m_socket;
   }
   void read()
   {
       printf("read \n");
       //可以先解析包头，在异步读操作的完成事件中判断包头是否正确，正确则继续读包体
       //在读包体的异步完成事件中，继续this->read();
       boost::asio::async_read(m_socket, boost::asio::buffer(m_getData, MSG_HEAD_SIZE),
           [=](const boost::system::error_code& ec, size_t size)
       {
           if (ec != nullptr) {
               printf("read error! \n");
               handleError(ec);
               return;
           }
           //这里可以将数据通过回调函数或者信号与槽传递回应用层
           //cout<< string((char*)m_getData,MSG_HEAD_SIZE)<<endl;
           NetPacketHeader *p = (NetPacketHeader *)m_getData;
           printf(" %c %d %c %s %c %d \n", p->cFlag, p->nLenth, p->cDataType, p->sFileFormat, p->cSendDc, size);
           printf("client read thread id is: %d \n", std::this_thread::get_id());
           this->read();
       });
   }
   void setClientID(int id) {
       m_clientId = id;
   }
   int getClientID() {
       return m_clientId;
   }
   //应用层，也就是server中利用SetCallBackError设置执行异常回调的函数
   template<typename F>
   void SetCallBackError(F f) {
       m_callbackError = f;
   }
   void handleError(const boost::system::error_code& ec)
   {
       //这里可以针对不同的ec的错误码进行异常解析
       printf("error! error value is: %d %s \n", ec.value(), ec.message());
       //异常码为2表示异步任务等待时远端关闭套接字
       if (ec.value() == 2) {
           //m_socket.close();
           boost::system::error_code ec2;
           m_socket.shutdown(tcp::socket::shutdown_send, ec2);
           m_socket.close(ec2);
           printf("clinet close the connected \n");
           if (m_callbackError)
               m_callbackError(m_clientId);
       }
   }
};

class server
{
#define MAX_CLINET_NUM 7000//最大连接数量
   //这里利用m_rwIdList去管理客户端的无序表的ID，每次有新客户端连接进来，就从m_rwIdList的头部取一个ID,并将该ID从m_rwIdList中删除
   //如果有客户端异常或者主动断开，则根据客户端ID去移除无序表中的rwhandle，然后将该ID放回m_rwIdList的尾部
public:
   explicit server(boost::asio::io_service& ios, short port, int serPoolSize = 4) :m_ios(ios)
       , m_acceptor(ios, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)),
       m_rwIdList(MAX_CLINET_NUM), m_servicePool(serPoolSize)
   {
       int current = 0;
       //初始化m_rwIdList，产生MAX_CLINET_NUM数量的ID
       std::generate_n(m_rwIdList.begin(), MAX_CLINET_NUM, [&current] {return ++current; });
       m_servicePool.startPool(); //开启线程池
   }
   ~server()
   {
       printf("server distroy! \n");
   }
   void accept()
   {
       //这里不用智能指针，使用rwhandler rw;就会报“尝试引用已删除对象”的错误
       //智能指针在离开作用于时应该也是会析构，为什么不会报错呢？
       //是因为在async_accept的lambda中将rw当作形参传入，这时候rw的引用计数就加1了，因此不会析构
       //将智能指针放入容器后，智能指引用计数就会加1
       std::shared_ptr<rwhandler> rw = std::make_shared<rwhandler>(m_servicePool.get_io_service());
       rw->setClientID(m_rwIdList.front()); //设置client ID
       m_rwIdList.pop_front();
       //设置异常回调函数
       rw->SetCallBackError([this](int id) {
           printf("start callback! id:%d \n", id);
           printf("client callback thread id is:%d \n", std::this_thread::get_id());
           reSetRwID(id);
       });
       printf(" id:%d \n", rw->getClientID());
       printf("start accept thread id ： %d \n", std::this_thread::get_id());
       //这里捕获列表，必须捕获rw,否则智能指针就会自动析构
       m_acceptor.async_accept(rw->getSock(), [this, rw](const boost::system::error_code& error) {
           if (error)
           {
               printf("------------------------acceptor error--------------------------------------");
               printf("error! error value is: %d %s \n", error.value(), error.message());
               return;
           }

           printf("a client coming in! \n");
           printf("client adress is: %s id: %d \n", rw->getSock().remote_endpoint().address(), rw->getClientID());
           //m_rwList.push_back(rw); //果然，这里在注释掉push_back操作后，智能指针随后就析构了
           {
               std::unique_lock<std::mutex> lock(this->m_lock);
               m_rwMap.insert(std::make_pair(rw->getClientID(), rw));
               printf("map size : %d \n", m_rwMap.size());
           }
           m_rwMap.insert(std::make_pair(rw->getClientID(), rw));
           printf("map size : %d \n", m_rwMap.size());
           printf("client have acceptor thread id is: %d \n", std::this_thread::get_id());
           rw->read();
           accept();
       });
   }

   void reSetRwID(int id)
   {
       std::unique_lock<std::mutex> lock(this->m_lock);
       auto it = m_rwMap.find(id);
       if (it != m_rwMap.end())
           m_rwMap.erase(it);
       m_rwIdList.push_back(id);
       printf("--------map size is: %d \n--------", m_rwMap.size());
   }
   size_t getClientNum() {
       return m_rwMap.size();
   }

private:
   //std::vector<std::shared_ptr<rwhandler>> m_rwList;
   //无序表，用于管理连接来的客户端的读写
   boost::unordered_map<int, std::shared_ptr<rwhandler>> m_rwMap;
   std::list<int> m_rwIdList; //管理连接进来的客户端的ID
   boost::asio::io_service& m_ios; //这个io_service只用于acceptor
   tcp::acceptor m_acceptor;
   serviceThreadPool m_servicePool;
   std::mutex m_lock;
};
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使用方法：

int main()
{
   boost::asio::io_service ios;
   server ser(ios, SERVER_PORT);
   ser.accept();
   ios.run();

system("pause");
return 0;
}
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其中大家一起要注意，所有对m_rwMap进行操作的地方一定要加锁，因为异常回调函数时运行在读写事件的线程中的，不同的io_service运行在不同的线程中，因此不同io_service下的读写事件也是运行在不同的线程中，所以m_rwMap可能会被不同的线程进行访问。博主刚开始就忽略了这一点，因此测试的时候总是异常，调试了一下午才发现问题，太难受了！

博主在写这个服务器时，是想用它代替FTP服务器进行文件传输，因此，这里实现了自定义协议头，这里的协议头只为了测试，因此比较粗糙。这里再解析时，在读取到协议头大小的数据后，只对数据进行了打印，正常我们项目中，这里需要先解析协议头，再根据协议头中的包体大小对包体进行读取，读取到的数据可以利用回调函数回调到应用层（数据回调的方法这里没有实现，但是实现了异常回调，方法都一样，大家可以参考）。
这个代码基本的框架都写好了，但只是框架，其中细节部分还需要大家根据自己的需求进行修改添加即可。其中接收到协议头后，可以根据协议头读取包体，然后用异步写的方法回复数据包。

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版权声明：本文为优快云博主「E404」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
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