boost库asio源码分析之数据结构

前言

源码之前，了无秘密。 ——侯捷

Boost库是一个可移植、提供源代码的C++库，作为标准库的后备，是C++标准化进程的开发引擎之一。Boost库由C++标准委员会库工作组成员发起，其中有些内容有望成为下一代C++标准库内容。在C++社区中影响甚大，是不折不扣的“准”标准库。

boost.asio是Boost库中非常著名的I/O组件，是用于网络和低层IO编程的跨平台C++库，为开发者提供了C++环境下稳定的异步模型。其在性能、移植性、扩展性等方面均为人称道，甚至被很多业内人士称为“网络神器”。asio是目前唯一有希望进入C++标准库以弥补标准库在网络方面的缺失的C++网络库，因此对asio的学习在某种意义上可以说是学习C++网络编程的必修课。

当前网络上从用户角度介绍asio的文献很多也很完善，所以本文决定另辟蹊径，从asio源码角度出发，由内而外、深入浅出地剖析asio的架构和设计理念，将asio的一切秘密呈现在读者眼前。。

分析boost库1.6版本我们讨论是linux平台的

正文

boost库asio 为了适应不同平台使用采用了策略模式

一, boost库asio的一些数据结构

boost库中的回调函数的使用

task_io_service_operation 模板在asio 处理任务的一直在回调do_perform函数处理完成结束

使用模板方法模式

下面是一个简单例子

#include <iostream>
#include <cstdlib>

class operation
{
public:
  void complete(const int& ec, std::size_t bytes)
  {
    printf("[%s][%d]\n", __FUNCTION__, __LINE__);
    func_(this, ec, bytes);
  }
  void destroy()
  {
    printf("[%s][%d]\n", __FUNCTION__, __LINE__);
    func_(this, int(), 0);
  }
protected:
  typedef void (*func_type)(operation *, const int&, std::size_t);
  operation(func_type func) :func_(func)
  {
    printf("[%s][%d]\n", __FUNCTION__, __LINE__); 
  }
private:
  func_type func_;
};

class reactor_op :public operation
{
public:
  bool perform()
  {
    printf("[%s][%d]\n", __FUNCTION__, __LINE__);
    return perform_func_(this);
  }
protected:
  typedef bool(*perform_func_type)(reactor_op*);
  reactor_op(perform_func_type perform_func, func_type complete_func)
    :operation(complete_func),
    perform_func_(perform_func) 
  {
    printf("[%s][%d]\n", __FUNCTION__, __LINE__);
  }
private:
  perform_func_type perform_func_;
};


class reactive_op_base : public reactor_op
{
public:
  reactive_op_base(func_type complete_func)
    : reactor_op(&reactive_op_base::do_perform, complete_func)
  {
    printf("[%s][%d]\n", __FUNCTION__, __LINE__);
  }
  //这里处理任务 直到任务处理完成结束提出
  static bool do_perform(reactor_op * base)
  {
    reactive_op_base * r(static_cast<reactive_op_base*>(base));
    // r->perform(); // cycle
    printf("[%s][%d]function = %p\n", __FUNCTION__, __LINE__, r);
    
      //r->complete(34, 34);
    return true;
  }
protected:
private:

};

class reactive_op : public reactive_op_base
{
public:
  reactive_op()
    :reactive_op_base(&reactive_op::do_complete)
  {
    printf("[%s][%d]\n", __FUNCTION__, __LINE__);
  }
  static void do_complete(operation* base, const int &, std::size_t)
  {
    reactor_op * o(static_cast<reactor_op*>(base));
    printf("[%s][%d]function = %p\n", __FUNCTION__, __LINE__, o);
    o->perform();
    printf("[%s][%d]\n", __FUNCTION__, __LINE__);
  }
protected:
private:
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  reactive_op reactive;
  printf("[%s][%d]function = %p\n", __FUNCTION__, __LINE__, &reactive);
  operation * o(static_cast<operation*>(&reactive));
  o->complete(4, 5);
  return EXIT_SUCCESS;
}

C++中类中的回调函数

class AA
{
public:
//AA
//{}
// ~AA
//{}
typedef void (*static_back)(int);   // static 
typedef void (AA::*call_back)(int);
protected:
private:
//std::string name;
static_back _func; // sizeof(AA) == 8    // CentOS 64
call_back func_;  // sizeof(AA) == 16    // CentOS 64
//void *a;   // sizeof(AA) == 8  ---> class 4---> CentOS 64
};

二, tcp

  /// The type of a TCP endpoint.
  typedef basic_endpoint<tcp> endpoint;
 /// The TCP socket type.
  typedef basic_stream_socket<tcp> socket;

  /// The TCP acceptor type.
  typedef basic_socket_acceptor<tcp> acceptor;

  /// The TCP resolver type.
  typedef basic_resolver<tcp> resolver;

这四个类模板是干什么呢

basic_endpoint
basic_stream_socket
basic_socket_acceptor
basic_resolver

1, basic_endpoint

basic_endpoint是管理IP地址和port端口的

boost/asio/ip/basic_endpoint.hpp

basic_endpoint.hpp 管理boost/asio/ip/detail/endpoint.hpp

endpoint.hpp管理address.hpp

区分ipv4和ipv6的工具类 boost/asio/ip/address.hpp是管理 boost/asio/ip/address_v4.hpp boost/asio/ip/address_v6.hpp的工具类

下面是boost中定义ipv4和ipv6的结构体在boost/asio/detail/socket_types.hpp

struct socket_addr_type { int sa_family; };
struct sockaddr_in4_type { int sin_family;
  in4_addr_type sin_addr; u_short_type sin_port; };
struct sockaddr_in6_type { int sin6_family;
  in6_addr_type sin6_addr; u_short_type sin6_port;
  u_long_type sin6_flowinfo; u_long_type sin6_scope_id; };

2, basic_stream_socket

stream_socket_service basic_socket basic_io_object socket_base reactive_socket_service

主要的是模板是reactive_socket_service 继承reactive_socket_service_base

管理’发送数据’和’接受数据’

start_op 实际调用 epoll_reactor中方法start_op和post_immediate_completion方法

reactive_socket_service_base模板中start_op方法

void reactive_socket_service_base::start_op(
    reactive_socket_service_base::base_implementation_type& impl,
    int op_type, reactor_op* op, bool is_continuation,
    bool is_non_blocking, bool noop)
{
  if (!noop)
  {
    if ((impl.state_ & socket_ops::non_blocking)
        || socket_ops::set_internal_non_blocking(   // flags IO 
          impl.socket_, impl.state_, true, op->ec_))
    {
      reactor_.start_op(op_type, impl.socket_,
          impl.reactor_data_, op, is_continuation, is_non_blocking);
      return;
    }
  }

  reactor_.post_immediate_completion(op, is_continuation);
}

其实basic_socket_acceptor和basic_resolver模板和basic_stream_socket都是差不多

basic_socket_acceptor 的new client连接的处理 basic_stream_socket 是发送和接受的处理

basic_resolver 这个模板目前我在看源码分析

四, socket的tcp三次握手

具体的分析可以结合TCP的”四次握手”关闭. TCP是全双工的信道, 可以看作两条单工信道, TCP连接两端的两个端点各负责一条. 当对端调用close时, 虽然本意是关闭整个两条信道, 但本端只是收到FIN包. 按照TCP协议的语义, 表示对端只是关闭了其所负责的那一条单工信道, 仍然可以继续接收数据. 也就是说, 因为TCP协议的限制, 一个端点无法获知对端的socket是调用了close还是shutdown.

对一个已经收到FIN包的socket调用read方法, 如果接收缓冲已空, 则返回0, 这就是常说的表示连接关闭. 但第一次对其调用write方法时, 如果发送缓冲没问题, 会返回正确写入(发送). 但发送的报文会导致对端发送RST报文, 因为对端的socket已经调用了close, 完全关闭, 既不发送, 也不接收数据. 所以, 第二次调用write方法(假设在收到RST之后), 会生成SIGPIPE信号, 导致进程退出.

为了避免进程退出, 可以捕获SIGPIPE信号, 或者忽略它, 给它设置SIG_IGN信号处理函数:

boost库设计忽略此信号

socket_type socket(int af, int type, int protocol,
    boost::system::error_code& ec)
{
  clear_last_error();
#if defined(BOOST_ASIO_WINDOWS) || defined(__CYGWIN__)
  socket_type s = error_wrapper(::WSASocketW(af, type, protocol, 0, 0,
        WSA_FLAG_OVERLAPPED), ec);
  if (s == invalid_socket)
    return s;

  if (af == BOOST_ASIO_OS_DEF(AF_INET6))
  {
    // Try to enable the POSIX default behaviour of having IPV6_V6ONLY set to
    // false. This will only succeed on Windows Vista and later versions of
    // Windows, where a dual-stack IPv4/v6 implementation is available.
    DWORD optval = 0;
    ::setsockopt(s, IPPROTO_IPV6, IPV6_V6ONLY,
        reinterpret_cast<const char*>(&optval), sizeof(optval));
  }

  ec = boost::system::error_code();

  return s;
#elif defined(__MACH__) && defined(__APPLE__) || defined(__FreeBSD__)
  socket_type s = error_wrapper(::socket(af, type, protocol), ec);
  if (s == invalid_socket)
    return s;

  int optval = 1;
  int result = error_wrapper(::setsockopt(s,
        SOL_SOCKET, SO_NOSIGPIPE, &optval, sizeof(optval)), ec); // 对端 关闭close socket , 第二次调用write会报 信号SIGPIPE 程序崩溃  Broken pipe向一个没有读端的管道写数据 , 设置SO_NOSIGPIPE 就忽略信号 会返回错误码了
  if (result != 0) // RST 
  {
    ::close(s);
    return invalid_socket;
  }

  return s;
#else
  int s = error_wrapper(::socket(af, type, protocol), ec);
  if (s >= 0)
    ec = boost::system::error_code();
  return s;
#endif
}

分析连接, 发送, 接受数据的流程

前言

正文

一, boost库asio的一些数据结构

二, tcp

1, basic_endpoint

2, basic_stream_socket

四, socket的tcp三次握手

结语

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