C++ `Boost.Asio` 异步网络编程：Proactor/Reactor 模式实现

好，各位观众，今天咱们来聊聊C++ Boost.Asio的异步网络编程，特别是Proactor和Reactor模式。这俩货，听起来高大上，其实就是两种组织异步事件处理的方式。咱们用大白话，加上实在的代码，把它们扒个精光。

第一幕：异步编程，咋回事？

先搞清楚，啥是异步编程？简单说，就是你发起一个操作，不用死等结果，可以先去干点别的。等结果来了，系统会通知你，或者你定时去问问：“嘿，好了没？”

这和同步编程不一样。同步编程就像你去饭馆点菜，必须站在那儿等，菜不上来，你一步都不能走。异步编程呢，你点完菜，服务员给你个号码牌，你可以去逛街，等号码牌亮了，再去取餐。

在网络编程里，异步就意味着你的程序不用阻塞在recv或者send这些耗时的操作上，可以同时处理多个连接。这样，你的服务器才能扛住更大的流量，响应更快。

第二幕：Boost.Asio，神器在手

Boost.Asio是C++界异步编程的瑞士军刀。它提供了一套统一的接口，让你可以在不同的操作系统上编写异步程序，而不用关心底层的实现细节。

• io_context: 这是Asio的核心，相当于一个事件循环。所有的异步操作都通过io_context来调度和执行。

• socket: 这就是网络套接字，用来进行网络通信。Asio提供了各种类型的socket，比如tcp::socket、udp::socket等等。

• buffer: 用来存储数据的缓冲区。Asio提供了多种buffer类型，比如asio::buffer、asio::mutable_buffer等等。

• handler: 这是异步操作的回调函数。当异步操作完成时，Asio会调用handler来通知你。

第三幕：Reactor，来者不拒的接待员

Reactor模式就像一个接待员，负责监听客户端的请求，然后把请求分发给相应的处理程序。

Reactor模式的特点：

• 单线程事件循环： Reactor通常运行在一个线程中，负责监听所有socket上的事件。
• 事件分发： 当一个socket上有事件发生时（比如有数据可读），Reactor会把事件分发给相应的handler。
• handler处理事件： handler负责处理事件，比如读取数据、发送数据等等。

Reactor模式的优点：

• 简单： Reactor模式的实现相对简单，容易理解。
• 高效： 在I/O密集型应用中，Reactor模式可以充分利用CPU资源，提高吞吐量。

Reactor模式的缺点：

• 单点瓶颈： Reactor运行在一个线程中，如果handler的处理时间过长，会阻塞整个事件循环。
• 不适合CPU密集型应用： 如果handler需要进行大量的计算，会占用CPU资源，影响其他socket的响应速度。

Reactor模式的代码示例：

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>

using namespace boost::asio;
using namespace boost::asio::ip;

class Session : public std::enable_shared_from_this<Session> {
public:
    Session(io_context& io_context) : socket_(io_context) {}

    tcp::socket& socket() { return socket_; }

    void start() {
        do_read();
    }

private:
    void do_read() {
        auto self(shared_from_this());
        socket_.async_read_some(
            asio::buffer(data_, max_length),
            [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length) {
                if (!ec) {
                    do_write(length);
                }
            });
    }

    void do_write(std::size_t length) {
        auto self(shared_from_this());
        asio::async_write(
            socket_, asio::buffer(data_, length),
            [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t /*length*/) {
                if (!ec) {
                    do_read();
                }
            });
    }

    tcp::socket socket_;
    enum { max_length = 1024 };
    char data_[max_length];
};

class Server {
public:
    Server(io_context& io_context, short port)
        : acceptor_(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)),
          io_context_(io_context) {
        do_accept();
    }

private:
    void do_accept() {
        acceptor_.async_accept(
            [this](boost::system::error_code ec, tcp::socket socket) {
                if (!ec) {
                    std::shared_ptr<Session> session = std::make_shared<Session>(io_context_);
                    session->socket() = std::move(socket); // Correctly assign the socket
                    session->start();
                }

                do_accept();
            });
    }

    tcp::acceptor acceptor_;
    io_context& io_context_;
};

int main() {
    try {
        io_context io_context;
        Server server(io_context, 12345);
        io_context.run();
    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << "n";
    }

    return 0;
}

代码解释：

1. Session 类： 负责处理单个客户端连接。
   • do_read(): 异步读取数据，读取完成后调用 do_write()。
   • do_write(): 异步写入数据，写入完成后再次调用 do_read()，形成一个循环。
2. Server 类： 负责监听端口，接受新的连接。
   • do_accept(): 异步接受新的连接，接受完成后创建一个 Session 对象来处理该连接，然后再次调用 do_accept()，继续监听新的连接。
3. main() 函数： 创建 io_context 和 Server 对象，然后调用 io_context.run() 启动事件循环。

表格总结 Reactor模式的优缺点：

特性	优点	缺点
线程模型	单线程	单点瓶颈，不适合CPU密集型应用
实现复杂度	简单	Handler处理时间过长会阻塞事件循环
适用场景	I/O密集型应用，对实时性要求不高的场景	需要高并发、低延迟，且handler包含大量计算的场景

第四幕：Proactor，事无巨细的包工头

Proactor模式就像一个包工头，把任务分发给工人，然后等着工人完成任务。

Proactor模式的特点：

• 多线程事件循环： Proactor可以使用多个线程来执行handler。
• 异步操作： Proactor会把所有的I/O操作都交给操作系统去完成，然后等待操作系统通知。
• Completion Handler： 当一个I/O操作完成时，操作系统会调用Completion Handler来通知Proactor。
• Proactor处理Completion Handler： Proactor会把Completion Handler交给一个线程池去执行。

Proactor模式的优点：

• 高并发： Proactor可以使用多个线程来处理事件，可以提高并发处理能力。
• 低延迟： Proactor可以把I/O操作交给操作系统去完成，可以降低延迟。
• 适合CPU密集型应用： Proactor可以使用线程池来执行handler，可以充分利用CPU资源。

Proactor模式的缺点：

• 复杂： Proactor模式的实现相对复杂，不容易理解。
• 依赖操作系统： Proactor模式依赖操作系统的异步I/O支持。

Proactor模式的代码示例：

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/ts/buffer.hpp>
#include <boost/asio/ts/internet.hpp>

using namespace boost::asio;
using namespace boost::asio::ip;

class Session : public std::enable_shared_from_this<Session> {
public:
    Session(io_context& io_context) : socket_(io_context) {}

    tcp::socket& socket() { return socket_; }

    void start() {
        do_read();
    }

private:
    void do_read() {
        auto self(shared_from_this());
        socket_.async_read_some(
            boost::asio::buffer(read_buffer_),
            [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length) {
                if (!ec) {
                    std::cout << "Read " << length << " bytesn";
                    do_write(length);
                } else {
                    std::cerr << "Error on read: " << ec.message() << "n";
                }
            });
    }

    void do_write(std::size_t length) {
        auto self(shared_from_this());
        boost::asio::async_write(
            socket_,
            boost::asio::buffer(read_buffer_, length),
            [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length) {
                if (!ec) {
                    std::cout << "Wrote " << length << " bytesn";
                    do_read();  // Continue reading after writing
                } else {
                    std::cerr << "Error on write: " << ec.message() << "n";
                }
            });
    }

private:
    tcp::socket socket_;
    char read_buffer_[1024];
};

class Server {
public:
    Server(io_context& io_context, short port)
        : acceptor_(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)),
          io_context_(io_context) {
        do_accept();
    }

private:
    void do_accept() {
        acceptor_.async_accept(
            [this](boost::system::error_code ec, tcp::socket socket) {
                if (!ec) {
                    std::shared_ptr<Session> session = std::make_shared<Session>(io_context_);
                    session->socket() = std::move(socket);
                    session->start();
                } else {
                    std::cerr << "Error on accept: " << ec.message() << "n";
                }

                do_accept(); // Accept next connection
            });
    }

private:
    tcp::acceptor acceptor_;
    io_context& io_context_;
};

int main() {
    try {
        io_context io_context;

        Server server(io_context, 12345);

        io_context.run();
    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << "n";
    }

    return 0;
}

代码解释：

这个Proactor模式的例子和Reactor模式的例子非常相似，核心区别在于操作系统对异步I/O的支持程度。在这个例子中，async_read_some和async_write函数都是异步操作，它们会立即返回，不会阻塞当前线程。当I/O操作完成时，操作系统会调用相应的completion handler（也就是lambda表达式），通知程序。

表格总结Proactor模式的优缺点：

特性	优点	缺点
线程模型	多线程（线程池）	实现复杂，需要考虑线程同步问题
实现复杂度	复杂	依赖操作系统对异步I/O的支持
适用场景	高并发、低延迟，且handler包含大量计算的场景，对实时性要求高的场景	对异步I/O支持不完善的操作系统

第五幕：Reactor vs Proactor，谁是你的菜？

Reactor和Proactor，就像两种不同的烹饪方式。

• Reactor： 适合I/O密集型应用，比如聊天服务器、代理服务器。它的优点是简单高效，缺点是单点瓶颈。
• Proactor： 适合CPU密集型应用，比如图像处理服务器、视频编码服务器。它的优点是高并发、低延迟，缺点是复杂难懂。

选择哪个模式，取决于你的具体需求。

特性	Reactor	Proactor
核心组件	事件循环，事件多路复用	异步操作，完成事件
线程模型	通常是单线程，也可配合线程池使用	多线程（线程池）
适用场景	I/O密集型，连接数量大，单个连接处理简单	CPU密集型，连接数量相对少，单个连接处理复杂
复杂程度	简单	复杂
依赖性	对操作系统异步I/O依赖较少	强依赖操作系统对异步I/O的支持
性能	在I/O bound场景下性能好，但CPU bound性能差	在高并发场景下性能更好，CPU bound场景也能胜任
典型应用	Web服务器，聊天服务器，代理服务器	文件服务器，数据库服务器

总结：

今天咱们聊了Boost.Asio的异步网络编程，重点介绍了Reactor和Proactor两种模式。希望通过这些代码示例和通俗的讲解，能让你对异步编程有更深入的理解。记住，没有银弹，选择合适的模式才能事半功倍。

感谢各位观看，下次再见！