探究boost::asio::io_service

一、基本介紹

boost::asio::io_service是boost庫中實現異步編程的關鍵組件，它提供了一個事件循環機制，負責處理I/O操作、定時器、信號等事件，同時其多線程支持，可以在多個線程中並行執行任務，增強了程序的並發性。

boost::asio::io_service定義於asio庫的頭文件中，創建一個io_service對象通常使用默認的構造函數，沒有任何參數，如下所示：

boost::asio::io_service io_service;

當有I/O操作（如異步的讀寫socket）需要進行時，我們需要將該操作添加到io_service的隊列中，同時運行io_service，等待事件的發生，代碼如下：

io_service.run();

run()方法將會等待io_service中任何派生自boost::asio::io_service::work的對象被引用的引用計數變為0才會退出，也就是說，如果你希望asio庫一直工作，就要維護至少一個work對象。

二、工作模式

為了提高程序的性能、並發性，asio庫提供了許多多線程支持的類，例如io_service::work，io_service::strand。針對io_service對象，有兩種工作模式：

1、單線程模式

在單線程模式下，所有I/O事件都在一個線程中被處理，由於沒有線程切換的開銷，原生的單線程模式的性能是最好的。一般情況下，我們通常在主線程中創建io_service對象，並且沒有任何其他的線程參與，代碼如下：

boost::asio::io_service io_service;
//添加恆定的work對象，保證io_service一直工作
boost::asio::io_service::work work(io_service); 
io_service.run();

在這個例子中，我們在io_service的隊列中永遠存在一個work，所以io_service.run()會一直運行，直到該work被銷毀。

2、多線程模式

當有多個線程需要共享I/O操作，如異步socket讀寫時，我們可以在多個線程中同時運行io_service，代碼如下：

boost::asio::io_service io_service;
//添加恆定的work對象，保證io_service一直工作
boost::asio::io_service::work work(io_service);
//創建多個線程執行io_service的run方法
std::vector threads; 
for (std::size_t i = 0; i < num_threads; ++i)
{
    threads.emplace_back([&io_service]() {
        io_service.run();
    });
}
//等待所有線程執行完run方法後再退出
for (auto& t : threads)
{
    t.join();
}

在上述代碼中，我們先創建了一個io_service對象，並始終保持一個io_service::work對象，然後創建若干線程，每個線程都調用io_service的run()方法以處理I/O事件。最後，等待所有的線程完成run()方法後再退出。

三、io_service::strand（協程）

io_service::strand是另外一個很重要的類，它實現了線程安全的FIFO隊列，保證了在同一個strand對象中提交的所有handler被按照提交的先後順序依次執行（但保證不了跨strand對象的handler之間的順序）。這種技術和協程類似，又稱為“異步協程”。將io_service::strand應用於handler處理程序可以消除並發數據訪問所產生的數據競爭和死鎖，並且可以保證每個handler的獨立執行。

我們通過boost::asio::io_service::strand::wrap()創建一個新的handler，在strand對象中執行，如下代碼所示：

boost::asio::io_service::strand strand(io_service);
boost::asio::async_read(socket, buffer,
    strand.wrap([](const boost::system::error_code& ec,
                   std::size_t bytes_transferred) {
        //read完成的回調函數
    })
);

在上述代碼中，我們使用async_read方法讀取socket的數據，並且將回調函數封裝到strand執行，這樣就保證了回調的線程安全。

四、定時器（timer）

Asio庫中提供了定時器處理機制，這類工作放到io_service的隊列中，由io_service在指定時間觸髮指定handler。代碼如下所示：

boost::asio::deadline_timer timer(io_service, boost::posix_time::seconds(5));
timer.async_wait([&](const boost::system::error_code& error){
    if (!error) {
        //定時器超時後執行的操作
    }
});

在上述代碼中，我們創建了一個以秒為單位的定時器timer，並在該定時器超時指定時間後進行回調操作。

五、信號（signal）

Asio庫還提供了鬧鐘信號(signal)處理，使用方法與定時器類似，但是信號僅僅對UNIX系統起作用，Windows系統不支持。代碼如下所示：

boost::asio::signal_set signals(io_service, SIGINT, SIGTERM);
signals.async_wait([=](const boost::system::error_code& error,
                       int signal_number) {
    //處理信號
    if (!error) {
        io_service.stop();
    }
});

在上述代碼中，我們創建了一個信號集合，關注的信號包括SIGINT和SIGTERM，當這兩個信號被觸發時，程序會執行相關回調函數中的代碼。

六、總結

通過對boost::asio::io_service的多個方面的探究，我們了解了該組件實現異步編程的關鍵性，同時掌握了其多線程支持、協程、定時器、信號等特點。對於實現高效異步編程的應用程序，boost::asio::io_service是一個必須要了解和掌握的工具。