快速了解Boost.Asio 的多线程模型

Boost.Asio 有两种支持多线程的方式，第一种方式比较简单：在多线程的场景下，每个线程都持有一个io_service，并且每个线程都调用各自的io_service的run()方法。

　　另一种支持多线程的方式：全局只分配一个io_service，并且让这个io_service在多个线程之间共享，每个线程都调用全局的io_service的run()方法。

每个线程一个 I/O Service

　　让我们先分析第一种方案：在多线程的场景下，每个线程都持有一个io_service (通常的做法是，让线程数和 CPU 核心数保持一致)。那么这种方案有什么特点呢？

1  在多核的机器上，这种方案可以充分利用多个 CPU 核心。

2  某个 socket 描述符并不会在多个线程之间共享，所以不需要引入同步机制。

3  在 event handler 中不能执行阻塞的操作，否则将会阻塞掉io_service所在的线程。

　　下面我们实现了一个AsioIOServicePool，封装了线程池的创建操作:

class AsioIOServicePool
{
public:
  using IOService = boost::asio::io_service;
  using Work = boost::asio::io_service::work;
  using WorkPtr = std::unique_ptr<Work>;
  AsioIOServicePool(std::size_t size = std::thread::hardware_concurrency())
    : ioServices_(size),
     works_(size),
     nextIOService_(0)
  {
    for (std::size_t i = 0; i < size; ++i)
    {
      works_[i] = std::unique_ptr<Work>(new Work(ioServices_[i]));
    }
    for (std::size_t i = 0; i < ioServices_.size(); ++i)
    {
      threads_.emplace_back([this, i] ()
                 {
                   ioServices_[i].run();
                 });
    }
  }
  AsioIOServicePool(const AsioIOServicePool &) = delete;
  AsioIOServicePool &operator=(const AsioIOServicePool &) = delete;
  // 使用 round-robin 的方式返回一个 io_service
  boost::asio::io_service &getIOService()
  {
    auto &service = ioServices_[nextIOService_++];
    if (nextIOService_ == ioServices_.size())
    {
      nextIOService_ = 0;
    }
    return service;
  }
  void stop()
  {
    for (auto &work: works_)
    {
      work.reset();
    }
    for (auto &t: threads_)
    {
      t.join();
    }
  }
private:
  std::vector<IOService>    ioServices_;
  std::vector<WorkPtr>     works_;
  std::vector<std::thread>   threads_;
  std::size_t         nextIOService_;
};

AsioIOServicePool使用起来也很简单：

std::mutex mtx;       // protect std::cout
AsioIOServicePool pool;

boost::asio::steady_timer timer{pool.getIOService(), std::chrono::seconds{2}};
timer.async_wait([&mtx] (const boost::system::error_code &ec)
         {
           std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
           std::cout << "Hello, World! " << std::endl;
         });
pool.stop();

一个 I/O Service 与多个线程

　　另一种方案则是先分配一个全局io_service，然后开启多个线程，每个线程都调用这个io_service的run()方法。这样，当某个异步事件完成时，io_service就会将相应的 event handler 交给任意一个线程去执行。

　　然而这种方案在实际使用中，需要注意一些问题：

1  在 event handler 中允许执行阻塞的操作 (例如数据库查询操作)。

2  线程数可以大于 CPU 核心数，譬如说，如果需要在 event handler 中执行阻塞的操作，为了提高程序的响应速度，这时就需要提高线程的数目。

3  由于多个线程同时运行事件循环(event loop)，所以会导致一个问题：即一个 socket 描述符可能会在多个线程之间共享，容易出现竞态条件 (race condition)。譬如说，如果某个 socket 的可读事件很快发生了两次，那么就会出现两个线程同时读同一个 socket 的问题 (可以使用strand解决这个问题)。

　　下面实现了一个线程池，在每个 worker 线程中执行io_service的run()方法：

class AsioThreadPool
{
public:
  AsioThreadPool(int threadNum = std::thread::hardware_concurrency())
    : work_(new boost::asio::io_service::work(service_))
  {
    for (int i = 0; i < threadNum; ++i)
    {
      threads_.emplace_back([this] () { service_.run(); });
    }
  }
  AsioThreadPool(const AsioThreadPool &) = delete;
  AsioThreadPool &operator=(const AsioThreadPool &) = delete;
  boost::asio::io_service &getIOService()
  {
    return service_;
  }
  void stop()
  {
    work_.reset();
    for (auto &t: threads_)
    {
      t.join();
    }
  }
private:
  boost::asio::io_service service_;
  std::unique_ptr<boost::asio::io_service::work> work_;
  std::vector<std::thread> threads_;
};

无锁的同步方式

　　要怎样解决前面提到的竞态条件呢？Boost.Asio 提供了io_service::strand：如果多个 event handler 通过同一个 strand 对象分发 (dispatch)，那么这些 event handler 就会保证顺序地执行。

　　例如，下面的例子使用 strand，所以不需要使用互斥锁保证同步了 :

AsioThreadPool pool(4);  // 开启 4 个线程
boost::asio::steady_timer timer1{pool.getIOService(), std::chrono::seconds{1}};
boost::asio::steady_timer timer2{pool.getIOService(), std::chrono::seconds{1}};
int value = 0;
boost::asio::io_service::strand strand{pool.getIOService()};

timer1.async_wait(strand.wrap([&value] (const boost::system::error_code &ec)
               {
                 std::cout << "Hello, World! " << value++ << std::endl;
               }));
timer2.async_wait(strand.wrap([&value] (const boost::system::error_code &ec)
               {
                 std::cout << "Hello, World! " << value++ << std::endl;
               }));
pool.stop();

多线程 Echo Server

　　下面的EchoServer可以在多线程中使用，它使用asio::strand来解决前面提到的竞态问题:

class TCPConnection : public std::enable_shared_from_this<TCPConnection>
{
public:
  TCPConnection(boost::asio::io_service &io_service)
    : socket_(io_service),
     strand_(io_service)
  { }

  tcp::socket &socket() { return socket_; }
  void start() { doRead(); }

private:
  void doRead()
  {
    auto self = shared_from_this();
    socket_.async_read_some(
      boost::asio::buffer(buffer_, buffer_.size()),
      strand_.wrap([this, self](boost::system::error_code ec,
                   std::size_t bytes_transferred)
             {
               if (!ec) { doWrite(bytes_transferred); }
             }));
  }
  void doWrite(std::size_t length)
  {
    auto self = shared_from_this();
    boost::asio::async_write(
      socket_, boost::asio::buffer(buffer_, length),
      strand_.wrap([this, self](boost::system::error_code ec,
                   std::size_t /* bytes_transferred */)
             {
               if (!ec) { doRead(); }
             }));
  }
private:
  tcp::socket socket_;
  boost::asio::io_service::strand strand_;
  std::array<char, 8192> buffer_;
};
class EchoServer
{
public:
  EchoServer(boost::asio::io_service &io_service, unsigned short port)
    : io_service_(io_service),
     acceptor_(io_service, tcp::endpoint(tcp::v4(), port))
  {
    doAccept();
  }
  void doAccept()
  {
    auto conn = std::make_shared<TCPConnection>(io_service_);
    acceptor_.async_accept(conn->socket(),
                [this, conn](boost::system::error_code ec)
                {
                  if (!ec) { conn->start(); }
                  this->doAccept();
                });
  }

private:
  boost::asio::io_service &io_service_;
  tcp::acceptor acceptor_;
};

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