asio 基本解析

最新推荐文章于 2025-06-11 12:39:34 发布

数字移民胡一刀

最新推荐文章于 2025-06-11 12:39:34 发布

阅读量2.8k

点赞数 15

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏： boost asio实践文章标签： linux 网络服务器个人开发 gnu

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/shuziyiminhuyidao/article/details/130011610

boost asio实践专栏收录该内容

1 篇文章

订阅专栏

文章介绍了Unix/Linux系统中的I/O基础，包括内核的角色、进程如何通过系统调用进行I/O操作。接着讨论了文件I/O模型，并指出Asio库是如何简化I/O操作的，提供同步和异步操作接口。最后，通过例子分析了Asio库的基本工作原理，涉及I/O执行上下文和异步操作的完成处理。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1.基础知识

在uinix/Linux操作系统中，我们编写的应用程序，哪怕只有一个打印，都是需要使用I/O的。但是我们的应用程序运行后的一个实例，是一个进程，一般情况下只能够访问自己的存储空间，因为这个进程只能使用在“用户态”下的CPU，从而有些资源无法访问到。当我们的应用需要使用一些文件、硬件驱动程序、网络驱动程序，完成对应的文件硬件网络操作（在Linux下统一为I/O操作），就无法做到了。这个时候进程为了完成作业，就要把自己的使用参数传递给内核，内核使用“内核态”的CPU去完成所有的I/O操作，完成后将数据返还给进程。如图一所示，进程通过系统调用的方式向内核传递请求。

请添加图片描述

图一

那么内核是什么呢？

内核是指管理和分配计算机资源（即CPU、RAM和设备）的核心层软件。
虽然在没有内核的情况下，计算机也能够运行程序，但有了内核会极大减少其他程序的编写和使用，令程序员的“功力”大进、游刃有余。这要归功于内核为管理计算机的有线资源所提供的的软件层。

引用自《Linux_UNIX系统编程手册》

同时，这里也介绍一下内核的基本职责，正是内核的这些职责，才可以让我们比较单纯去写业务代码，把完成业务的操作留给内核去分配。

内核职责：

进程调度
即利用一组规则控制哪些进程获取对CPU的使用，以及每个进程使用多少时间。
内存管理
采用虚拟内存管理机制。
提供文件系统
内核在磁盘上提供有文件系统，允许对执行创建、获取、更新和删除等操作。
创建和终止进程
内核可将新程序载入内存，为其提供所需的资源（CPU、内存以及对文件的访问等）。这样的一个进程一旦执行完毕，内核要确保释放其占用资源，以供后续进程使用。
对设备的访问
计算机外接设备（鼠标、键盘、磁盘等）可实现计算机与外部世界的通信，这一通信机制包括输入、输出或者二者皆有，内核既为程序访问提供设备提供了简化版的标准接口，同时还要协调多个进程对每一个设备的访问。
联网
提供系统调用应用编程接口

可以看到上面的最后一条，内核提供了系统调用的应用编程接口，平时用到的c语言的标准库许多函数就是对部分应用编程接口的上层封装。

2.文件I/O模型

UNIX、Linux系统的I/O概念是通用的，也就是说，同一套系统调用（open() 、read()、write()、close()等）所执行的I/O操作，可适用于所有文件类型，包括设备文件在内。（应用程序发起的I/O请求，内核会将其转换为相应的文件系统操作，或者设备驱动程序操作，以此来执行针对目标文件或者设备的I/O操作）因此，采用这些系统调用的程序能够操作任何类型的文件，同样的，对socket的操作也在这个概念之内。

于是，对于我们用户使用（仅仅是使用层面）来说，asio 其实就是一组基于I/O的系统调用的封装，我们可以不用明白内核，不了解系统调用，就完全可以使用。使用asio提供的统一接口，让我们避免了自己直接去使用系统调用。看起来系统调用似乎很简单，但是当我们的程序，访问量比较大或者计算任务比较密集的时候，我们程序的系统调用逻辑往往会比较复杂，返回结果的处理也比较复杂，使用asio恰好可以简化这个过程，使我们专注于业务。

3.asio基本剖析

下面将从官方资料对asio进行基本剖析（图片中的英文会保留使用哦）

boost.asio可以在socket这样的I/O对象上执行同步和异步的操作，下面用图二来介绍一下，当我们想要在一个socket上执行一个connet()操作时会发生什么，先从验证一个同步操作开始

在这里插入图片描述

图二

首先，需要一个 I/O execution context，因为我们的系统调用，对内核(operating system)的操作就是由它来完成的。我们一般最常用的context就是

boost::asio::io_context io_context;

your Program要执行一个I/O 操作，那一定是需要一个 I/O object 的，例如 TCP socket

boost::asio::ip::tcp::socket socket(io_context);

执行一个同步连接操作，会发生下面这些事情

Your program 调用 I/O object对象来启动连接操作
   socket.connect(server_endpoint);
I/O object 将请求传递给 I/O execution context
I/O execution context 通过系统调用，让内核(operating system)去执行连接操作
内核(operating system)返回执行结果到 I/O execution context
I/O execution context 将返回的任何错误结果翻译为 boost::system::error_code 类型的对象
如果操作失败， I/O object 抛出 boost::system::system_error 类型的异常，如果启动操作的代码被编写为
       boost::system::error_code ec;
       socket.connect(server_endpoint, ec);
error_code 类型变量 ec 就被设置为操作的结果，就不会有异常抛出。

如图三执行一个异步操作的时候，一些不同的事情将会生
在这里插入图片描述

图三

Your program 通过调用 I/O object 来启动连接操作
      socket.async_connect(server_endpoint, your_completion_handler);
your_completion_handler是带有签名（签名指的是一个函数的信息，包括函数名、参数类型、所在类、名称空间及其他信息）的函数或函数对象。
      void your_completion_handler(const boost::system::error_code& ec);
所需的确切签名取决于正在执行的异步操作。参考文档（boost的官方文档里面可以找到喔）指出了每个操作的相应表单

I/O object 传递请求给 I/O execution context
I/O execution context 给内核(operating system)的信号，告诉内核(operating system)它现在需要执行一个一部连接的操作

在这里插入图片描述

图四

接下来如图四

内核(Operating System)通过将结果放在队列中来指示连接操作已完成，该队列已准备好由 I/O execution context 选取。
当用io_context 作为 I/O execution context，your program 一定要调用 io_context::run() （或者和调用一个类似的io_context成员函数）来检索结果。当有未完成的异步操作时，调用io_context::run() 会阻塞，因此，在第一个异步操作开始之后，就尽可能直接调用。
在io_context::run()的调用内部，I/O execution context 把操作结果出列，翻译成 an error_code ，传给 your_completion_handler。

asio的一个基本解析大概就是这个样子。