Boost::asio io_service 实现分析

最新推荐文章于 2023-12-07 16:28:58 发布
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分类专栏： Boost库 文章标签： boost
本文详细解析了io_service的内部实现，包括其任务队列、接口、代码基本类结构及核心方法实现，如Post、run等。重点讨论了如何在ASIO中高效使用io_service，以及其与线程管理的紧密联系。

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io_service的作用

io_servie 实现了一个任务队列，这里的任务就是void(void)的函数。Io_servie最常用的两个接口是post和run，post向任务队列中投递任务，run是执行队列中的任务，直到全部执行完毕，并且run可以被N个线程调用。Io_service是完全线程安全的队列。

Io_servie的接口

提供的接口有run、run_one、poll、poll_one、stop、reset、dispatch、post，最常用的是run、post、stop

Io_servie 实现代码的基本类结构：

  Io_servie是接口类，为实现跨平台，采用了策略模式，所有接口均有impl_type实现。根据平台不同impl_type分为

  win_iocp_io_service Win版本的实现，这里主要分析Linux版本。

  task_io_service 非win平台下的实现，其代码结构为：

  detail/task_io_service_fwd.hpp 简单声明task_io_service名称

  detail/task_io_service.hpp 声明task_io_service的方法和属性

  detail/impl/task_io_service.ipp 具体实现文件

  队列中的任务类型为opertioan，原型其实是typedef task_io_service_operation operation，其实现文件在detail/task_io_service_operation.hpp中，当队列中的任务被执行时，就是task_io_service_operation:: complete被调用的时候。

Io_servie::Post方法的实现

Post向队列中投递任务，然后激活空闲线程执行任务。其实现流程如下：

  Post接收handler作为参数，实际上是个仿函数，通过此仿函数构造出completion_handler对象，completion_handler继承自operation。然后调用post_immediate_completion。

  post_immediate_completion首先将outstanding_work_增加，然后调用post_deferred_completion。

  post_deferred_completion首先加锁将任务入列，然后调用wake_one_thread_and_unlock

  wake_one_thread_and_unlock尝试唤醒当前空闲的线程，其实现中特别之处在于，若没有空闲线程，但是有线程在执行task->run，即阻塞在epoll_wait上，那么先中断epoll_wait执行任务队列完成后再执行epoll_wait。

  first_idle_thread_维护了所有当前空闲线程，实际上使用了Leader/Follower模式，每次唤醒时只唤醒空闲线程的第一个。

Io_servie::run方法的实现

         Run方法执行队列中的所有任务，直到任务执行完毕。

  run方法首先构造一个idle_thread_info，和first_idle_thread_类型相同，即通过first_idle_thread_将所有线程串联起来，它这个串联不是立即串联的，当该线程无任务可做是加入到first_idle_thread_的首部，有任务执行时，从first_idle_thread_中断开。这很正常，因为first_idle_thread_维护的是当前空闲线程。

  加锁，循环执行do_one方法，直到do_one返回false

  do_one每次执行一个任务。首先检查队列是否为空，若空将此线程追加到first_idle_thread_的首部，然后阻塞在条件变量上，直到被唤醒。

  当被唤醒或是首次执行，若stopped_为true（即此时stop方法被调用了），返回0

  队列非空，pop出一个任务，检查队列无任务那么简单的解锁，若仍有，调用wake_one_thread_and_unlock尝试唤醒其他空闲线程执行。然后执行该任务，返回1.

  实际上在执行队列任务时有一个特别的判断if (o == &task_operation_)，那么将会执行task_->run，task_变量类型为reactor，在linux平台实现为epoll_reactor，实现代码文件为detail/impl/epoll_reactor.ipp，run方法实际上执行的是epoll_wait，run阻塞在epoll_wait上等待事件到来，并且处理完事件后将需要回调的函数push到io_servie的任务队列中，虽然epoll_wait是阻塞的，但是它提供了interrupt函数，该interrupt是如何实现的呢，它向epoll_wait添加一个文件描述符，该文件描述符中有8个字节可读，这个文件描述符是专用于中断epoll_wait的，他被封装到select_interrupter中，select_interrupter实际上实现是eventfd_select_interrupter，在构造的时候通过pipe系统调用创建两个文件描述符，然后预先通过write_fd写8个字节，这8个字节一直保留。在添加到epoll_wait中采用EPOLLET水平触发，这样，只要select_interrupter的读文件描述符添加到epoll_wait中，立即中断epoll_wait。很是巧妙。！！！实际上就是因为有了这个reactor，它才叫io_servie，否则就是一个纯的任务队列了。

  Run方法的原则是：

  有任务立即执行任务，尽量使所有的线程一起执行任务

  若没有任务，阻塞在epoll_wait上等待io事件

  若有新任务到来，并且没有空闲线程，那么先中断epoll_wait,先执行任务

  若队列中有任务，并且也需要epoll_wait监听事件，那么非阻塞调用epoll_wait（timeout字段设置为0），待任务执行完毕在阻塞在epoll_wait上。

  几乎对线程的使用上达到了极致。

  从这个函数中可以知道，在使用ASIO时，io_servie应该尽量多，这样可以使其epoll_wait占用的时间片最多，这样可以最大限度的响应IO事件，降低响应时延。但是每个io_servie::run占用一个线程，所以io_servie最佳应该和CPU的核数相同。

Io_servie::stop的实现

  加锁，调用stop_all_threads

  设置stopped_变量为true，遍历所有的空闲线程，依次唤醒

  task_interrupted_设置为true，调用task_的interrupt方法

  task_的类型为reactor，在run方法中已经做了分析

boost::asio 中 io_service与线程的关系
h a 6 6 6 c k 为 你解决复杂难题！
07-21 713
io_service模型描述优点缺点适用场景单线程io_service所有任务在一个线程中串行执行简单、安全无法利用多核调试、小型服务多线程io_service多个线程共享一个io_service并发处理能力强需要线程安全机制中小型并发服务多个io_service+ 多线程每个线程绑定一个io_service资源隔离、扩展性强管理复杂大型服务器、模块化设计。
深入理解 Boost.Asio 中的异步核心 boost::asio::io_context
h a 6 6 6 c k 为 你解决复杂难题！
07-12 117
io_contextio_context是 Boost.Asio 中用于管理 I/O 执行上下文的核心类，它负责调度和执行异步操作。你可以把它看作是异步任务的“调度中心”或“运行引擎”。所有的异步操作（如网络请求、定时器、异步读写等）都需要通过一个io_context实例来驱动。场景建议单线程异步程序创建一个io_context并调用run()多线程并发处理多个线程调用同一个避免过早退出使用保持工作状态分离 IO 与业务逻辑使用post()或dispatch()将任务投递回主线程。
boost::asio::io_service(之一)
yanziguilai的专栏
01-25 5094
boost::asio::io_service /// Provides core I/O functionality. /**  * The io_service class provides the core I/O functionality for users of the  * asynchronous I/O objects, including:  * io_service
boost.asio系列——io_service
weixin_34008933的博客
02-02 333
IO模型 io_service对象是asio框架中的调度器，所有异步io事件都是通过它来分发处理的（io对象的构造函数中都需要传入一个io_service对象）。     asio::io_service io_service;    asio::ip::tcp::socket socket(io_service); 在asio框架中，同步的io主要流程如下：      应用程序...
boost::asio::Io_service
kraussyin的专栏
03-23 871
<br />构造函数<br /><br />构造函数的主要动作就是调用CreateIoCompletionPort创建了一个初始iocp。 <br /><br />Dispatch和post的区别<br /><br />Post一定是PostQueuedCompletionStatus并且在GetQueuedCompletionStatus 之后执行。 <br /><br />Dispatch会首先检查当前thread是不是io_service.run/runonce/poll/poll_once线程，如果
Boost：asio多io_service，多线程run
风静如云的博客
12-07 711
然后当线程2处理完timerID:6后，由于没有其他注册在ios2上的回调了，即使他空闲下来了，也不会处理其他timerID，因此线程2会先退出。可以看到线程2处理timerID:6，与此同时线程1处理timerID:1和timerID:2。因为其他的timerID都注册在了ios1上，所以只能等待线程1依次处理。
Boost：asio单io_service，多线程run
风静如云的博客
12-07 651
io_service相当于注册异步回调的一个上下文环境，而run相当于处理异步io的上下文（通常是一个线程）。然后再次期间，线程1处理了timerID:2，timerID:3，timerID:4。之后线程2处理完了timerID:1后又开始处理timerID:5。启动了两个线程来运行同一个io_service上的异步处理。也就是会根据线程当前的忙闲情况，分配任务到线程。可以看到线程2先处理了timerID:1。线程1处理timerID:6。
Boost：asio单io_service，单线程run
风静如云的博客
12-07 332
io_service相当于注册异步回调的一个上下文环境，而run相当于处理异步io的上下文（通常是一个线程）。可以看到定时器依次在被处理。
boost：：asio：：io_service
書、寫未來的专栏
02-24 217
io_service为用户的异步I/O对象提供了一些核心的I/O函数，包括： · boost::asio::ip::tcp::socket · boost::asio::ip::tcp::acceptor · boost::asio::ip::udp::socket · deadline_timer。 io_service类也包含一些工具用来为开发者用户提供异步服务。 线程安全：
boost::asio::io_service
qq_38365116的博客
12-19 2928
最近在学习licode发现源码有使用到boost::asio::io_service,因此在网上找文章了解一下，顺便写篇博客记录 io_service 负责和操作系统打交道，等待所有异步操作的结束，然后为每一个异步操作调用其完成处 理程序。 例子（我们有3个异步操作，2个socket连接操作和一个计时器等待操作）： 有一个io_service实例和一个处理线程的单线程例子： io_service ...
boost::asio 之io_service
喜欢吃一口烤肉的啵啵
08-04 754
 boost.asio系列——io_service IO模型 io_service对象是asio框架中的调度器，所有异步io事件都是通过它来分发处理的（io对象的构造函数中都需要传入一个io_service对象）。     asio::io_service io_service;     asio::ip::tcp::socket socket(io_service);
Boost::asio io_service
十年+游戏后端
03-09 743
io_service的作用 io_servie 实现了一个任务队列，这里的任务就是void(void)的函数。Io_servie最常用的两个接口是post和run，post向任务队列中投递任务，run是执行队列中的任务，直到全部执行完毕，并且run可以被N个线程调用。Io_service是完全线程安全的队列 参照资料： http://www.cnblogs.com/zhiranok/
boost asio io_service学习笔记
k1988的程序生活
05-12 4517
转自：http://hi.baidu.com/jrckkyy/blog/item/e86835d61e60722506088b6a.html构造函数构造函数的主要动作就是调用CreateIoCompletionPort创建了一个初始iocp。Dispatch和post的区别Post一定是PostQueuedCompletionStatus并且在GetQueuedCompletion
Boost_Asio(1) io_service
Lasuerte的博客
05-17 1032
// asio_ioservice.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。 // #include "stdafx.h" #include &lt;boost/asio.hpp&gt; #include &lt;boost/shared_ptr.hpp&gt; #include &lt;boost/thread.hpp&gt; #include &lt;iostream&gt; /* ...
boost::asio的io_service是什么
最新发布
07-25
<think>我们正在讨论Boost.Asio中的io_service（在较新版本中称为io_context）的核心概念和作用。根据用户的问题，我们需要解释io_service是什么以及它在异步I/O编程中的作用。同时，用户提供的引用材料[1]和[2]虽然不完全匹配，但可以辅助理解。 首先，io_service是Boost.Asio库的核心，它负责提供I/O功能的事件循环和任务调度。其主要作用包括： 1. 事件循环：处理异步I/O事件（如套接字读写完成、定时器到期等）。 2. 任务调度：允许用户投递（post）自定义任务到事件循环中执行。 接下来，结合引用材料： - 引用[1]提到：Boost.Asio执行“工作”（work）并通知应用程序。这体现了io_service的事件处理机制。 - 引用[2]提到：post和dispatch的区别，说明任务调度时的执行策略（立即执行或排队执行）。 因此，回答将围绕这些点展开，并强调io_service在异步编程中的核心地位。 最后，生成相关问题以扩展用户对io_service的理解。</think>### Boost.Asio 的 `io_service` 概念与作用详解 `io_service`（在新版 Boost.Asio 中重命名为 `io_context`）是 **异步 I/O 操作的核心调度器**，本质上是一个**事件循环引擎**。它负责管理所有异步操作的任务队列、事件分发和回调执行，是 Boost.Asio 异步编程的基石。 --- ### 一、核心作用 #### 1. **I/O 事件调度中心** - 管理所有异步操作（套接字读写、定时器、信号等）的事件队列 - 通过 `run()` 方法启动事件循环，阻塞线程直到所有任务完成： ```cpp boost::asio::io_service io; io.run(); // 启动事件循环（阻塞） ``` - 当有 I/O 事件就绪时，自动调用对应的回调函数（处理程序） #### 2. **任务队列管理器** - 支持通过 `post()` 或 `dispatch()` 添加自定义任务： ```cpp io.post([](){ std::cout << "任务被执行" << std::endl; }); // 添加任务到队列 ``` - `post()` 与 `dispatch()` 的区别[^2]： - `post()`：任务**总是加入队列**，等待下次事件循环执行 - `dispatch()`：若在 `io_service` 关联线程中调用，则**立即执行**；否则加入队列 #### 3. **资源生命周期控制器** - 管理所有异步操作的资源（如套接字、定时器） - 通过 `work` 对象防止事件循环提前退出： ```cpp boost::asio::io_service::work work(io); // 保持事件循环活跃 io.run(); // 即使无任务也持续运行 ``` --- ### 二、工作流程解析 1. **投递任务** - 用户通过 `async_*` 函数（如 `async_read`）或 `post()` 提交任务 2. **事件循环启动** - 调用 `run()` 启动线程的事件循环 3. **事件监听与分发** - 操作系统通知 I/O 事件就绪 → `io_service` 将回调加入执行队列 4. **回调执行** - 在 `run()` 线程中按顺序执行回调函数 - 若使用 `io_service::strand` 可保证线程安全 > 关键特性：**非阻塞异步模型**。当调用 `async_read(socket, buffer, handler)` 时，函数立即返回，实际读写操作由操作系统在后台执行。操作完成后，`io_service` 将 `handler` 加入队列，由 `run()` 线程调用[^1]。 --- ### 三、典型应用场景 ```cpp // 创建 io_service 和 TCP 接收器 boost::asio::io_service io; boost::asio::ip::tcp::acceptor acceptor(io, endpoint); // 异步接受连接 acceptor.async_accept([](boost::system::error_code ec, tcp::socket socket) { if (!ec) { // 新连接处理逻辑 } }); // 启动事件循环（通常用多线程处理） std::thread t([&io](){ io.run(); }); t.join(); ``` 1. **高并发服务器** - 单线程 `io_service` 可处理数千并发连接（通过异步 I/O） 2. **定时任务调度** ```cpp boost::asio::deadline_timer timer(io, boost::posix_time::seconds(1)); timer.async_wait([](...){ /* 定时任务 */ }); ``` 3. **跨线程任务同步** - 通过 `post()` 实现线程间安全的任务传递 --- ### 四、性能优化要点 1. **多线程运行** - 单个 `io_service` 可由多线程同时调用 `run()`： ```cpp std::vector<std::thread> threads; for (int i = 0; i < 4; ++i) { threads.emplace_back([&io](){ io.run(); }); } ``` - 线程数建议与 CPU 核心数匹配 2. **避免回调阻塞** - 回调函数必须**非阻塞**，否则会拖慢整个事件循环 - 耗时任务应投递到专用线程池 3. **使用 `strand` 同步** - 当多线程访问共享资源时： ```cpp boost::asio::io_service::strand strand(io); strand.post([](){ /* 线程安全操作 */ }); ``` --- ### 五、与操作系统的交互 `io_service` 底层封装了操作系统的 I/O 多路复用机制： - Linux: `epoll` - Windows: `IOCP` - macOS: `kqueue` 其通过**就绪事件通知机制**实现高效 I/O 调度，避免轮询造成的 CPU 浪费[^1]。 > 总结：**`io_service` = 异步任务队列 + 事件分发器 + 资源管理器**，是 Boost.Asio 实现高性能网络编程的核心组件。 ---
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