第 7 章异步输入输出 - 7.4. 网络编程 - 《Boost C++ 库》

7.4. 网络编程

7.4. 网络编程

虽然 Boost.Asio 是一个可以异步处理任何种类数据的库，但是它主要被用于网络编程。这是由于，事实上 Boost.Asio 在加入其它 I/O 对象之前很久就已经支持网络功能了。网络功能是异步处理的一个很好的例子，因为通过网络进行数据传输可能会需要较长时间，从而不能直接获得确认或错误条件。

Boost.Asio 提供了多个 I/O 对象以开发网络应用。以下例子使用了 boost::asio::ip::tcp::socket 类来建立与中另一台PC的连接，并下载 'Highscore' 主页；就象一个浏览器在指向 www.highscore.de 时所要做的。

#include <boost/asio.hpp> 
#include <boost/array.hpp> 
#include <iostream> 
#include <string> 
 
boost::asio::io_service io_service; 
boost::asio::ip::tcp::resolver resolver(io_service); 
boost::asio::ip::tcp::socket sock(io_service); 
boost::array<char, 4096> buffer; 
 
void read_handler(const boost::system::error_code &ec, std::size_t bytes_transferred) 
{ 
  if (!ec) 
  { 
    std::cout << std::string(buffer.data(), bytes_transferred) << std::endl; 
    sock.async_read_some(boost::asio::buffer(buffer), read_handler); 
  } 
} 
 
void connect_handler(const boost::system::error_code &ec) 
{ 
  if (!ec) 
  { 
    boost::asio::write(sock, boost::asio::buffer("GET / HTTP 1.1\r\nHost: highscore.de\r\n\r\n")); 
    sock.async_read_some(boost::asio::buffer(buffer), read_handler); 
  } 
} 
 
void resolve_handler(const boost::system::error_code &ec, boost::asio::ip::tcp::resolver::iterator it) 
{ 
  if (!ec) 
  { 
    sock.async_connect(*it, connect_handler); 
  } 
} 
 
int main() 
{ 
  boost::asio::ip::tcp::resolver::query query("www.highscore.de", "80"); 
  resolver.async_resolve(query, resolve_handler); 
  io_service.run(); 
}

下载源代码

这个程序最明显的部分是三个句柄的使用：connect_handler() 和 read_handler() 函数会分别在连接被建立后以及接收到数据后被调用。那么为什么需要 resolve_handler() 函数呢？

互联网使用了所谓的IP地址来标识每台PC。 IP地址实际上只是一长串数字，难以记住。而记住象 www.highscore.de 这样的名字就容易得多。为了在互联网上使用类似的名字，需要通过一个叫作域名解析的过程将它们翻译成相应的IP地址。这个过程由所谓的域名解析器来完成，对应的 I/O 对象是：boost::asio::ip::tcp::resolver。

域名解析也是一个需要连接到互联网的过程。有些专门的PC，被称为DNS服务器，其作用就象是电话本，它知晓哪个IP地址被赋给了哪台PC。由于这个过程本身的透明的，只要明白其背后的概念以及为何需要 boost::asio::ip::tcp::resolver I/O 对象就可以了。由于域名解析不是发生在本地的，所以它也被实现为一个异步操作。一旦域名解析成功或被某个错误中断，resolve_handler() 函数就会被调用。

因为接收数据需要一个成功的连接，进而需要一次成功的域名解析，所以这三个不同的异步操作要以三个不同的句柄来启动。 resolvehandler() 访问 I/O 对象 _sock，用由迭代器 it 所提供的解析后地址创建一个连接。而 sock 也在 connecthandler() 的内部被使用，发送 HTTP 请求并启动数据的接收。因为所有这些操作都是异步的，各个句柄的名字被作为参数传递。取决于各个句柄，需要相应的其它参数，如指向解析后地址的迭代器 _it 或用于保存接收到的数据的缓冲区 buffer。

开始执行后，该应用将创建一个类型为 boost::asio::ip::tcp::resolver::query 的对象 query，表示一个查询，其中含有名字 www.highscore.de 以及互联网常用的端口80。这个查询被传递给 async_resolve() 方法以解析该名字。最后，main() 只要调用 I/O 服务的 run() 方法，将控制交给操作系统进行异步操作即可。

当域名解析的过程完成后，resolvehandler() 被调用，检查域名是否能被解析。如果解析成功，则存有错误条件的对象 _ec 被设为0。只有在这种情况下，才会相应地访问 socket 以创建连接。服务器的地址是通过类型为 boost::asio::ip::tcp::resolver::iterator 的第二个参数来提供的。

调用了 asyncconnect() 方法之后，connect_handler() 会被自动调用。在该句柄的内部，会访问 _ec 对象以检查连接是否已建立。如果连接是有效的，则对相应的 socket 调用 async_read_some() 方法，启动读数据操作。为了保存接收到的数据，要提供一个缓冲区作为第一个参数。在以上例子中，缓冲区的类型是 boost::array，它来自 Boost C++ 库 Array，定义于 boost/array.hpp.

每当有一个或多个字节被接收并保存至缓冲区时，readhandler() 函数就会被调用。准确的字节数通过 std::size_t 类型的参数 _bytes_transferred 给出。同样的规则，该句柄应该首先看看参数 ec 以检查有没有接收错误。如果是成功接收，则将数据写出至标准输出流。

请留意，readhandler() 在将数据写出至 _std::cout 之后，会再次调用 async_read_some() 方法。这是必需的，因为无法保证仅在一次异步操作中就可以接收到整个网页。 async_read_some() 和 read_handler() 的交替调用只有当连接被破坏时才中止，如当 web 服务器已经传送完整个网页时。这种情况下，在 read_handler() 内部将报告一个错误，以防止进一步将数据输出至标准输出流，以及进一步对该 socket 调用 async_read() 方法。这时该例程将停止，因为没有更多的异步操作了。

上个例子是用来取出 www.highscore.de 的网页的，而下一个例子则示范了一个简单的 web 服务器。其主要差别在于，这个应用不会连接至其它PC，而是等待连接。

#include <boost/asio.hpp> 
#include <string> 
 
boost::asio::io_service io_service; 
boost::asio::ip::tcp::endpoint endpoint(boost::asio::ip::tcp::v4(), 80); 
boost::asio::ip::tcp::acceptor acceptor(io_service, endpoint); 
boost::asio::ip::tcp::socket sock(io_service); 
std::string data = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 13\r\n\r\nHello, world!"; 
 
void write_handler(const boost::system::error_code &ec, std::size_t bytes_transferred) 
{ 
} 
 
void accept_handler(const boost::system::error_code &ec) 
{ 
  if (!ec) 
  { 
    boost::asio::async_write(sock, boost::asio::buffer(data), write_handler); 
  } 
} 
 
int main() 
{ 
  acceptor.listen(); 
  acceptor.async_accept(sock, accept_handler); 
  io_service.run(); 
}

下载源代码

类型为 boost::asio::ip::tcp::acceptor 的 I/O 对象 acceptor - 被初始化为指定的协议和端口号 - 用于等待从其它PC传入的连接。初始化工作是通过 endpoint 对象完成的，该对象的类型为 boost::asio::ip::tcp::endpoint，将本例子中的接收器配置为使用端口80来等待 IP v4 的传入连接，这是 WWW 通常所使用的端口和协议。

接收器初始化完成后，main() 首先调用 listen() 方法将接收器置于接收状态，然后再用 async_accept() 方法等待初始连接。用于发送和接收数据的 socket 被作为第一个参数传递。

当一个PC试图建立一个连接时，accepthandler() 被自动调用。如果该连接请求成功，就执行自由函数 boost::asio::async_write() 来通过 socket 发送保存在 _data 中的信息。 boost::asio::ip::tcp::socket 还有一个名为 async_write_some() 的方法也可以发送数据；不过它会在发送了至少一个字节之后调用相关联的句柄。该句柄需要计算还剩余多少字节，并反复调用 async_write_some() 直至所有字节发送完毕。而使用 boost::asio::async_write() 可以避免这些，因为这个异步操作仅在缓冲区的所有字节都被发送后才结束。

在这个例子中，当所有数据发送完毕，空函数 write_handler() 将被调用。由于所有异步操作都已完成，所以应用程序终止。与其它PC的连接也被相应关闭。