cpp asio

Asio 是一个跨平台的 C++ 库，用于网络和低级 I/O 编程，提供了一套异步操作的框架。Boost.Asio 是其最知名的版本，但独立（standalone）版本的 Asio 允许在不依赖 Boost 的情况下使用。

1. Asio 库概述

Standalone Asio 是一个轻量级的网络编程库，设计目标是提供高效、异步的 I/O 操作。它支持以下功能：

• 网络编程：TCP、UDP、ICMP 等协议的客户端和服务器开发。
• 异步 I/O：通过回调、协程（C++20 起支持）或 Future/Promise 模型处理异步操作。
• 跨平台：支持 Windows、Linux、macOS 等操作系统。
• 低级 I/O：文件操作、串口通信、定时器等。

与 Boost.Asio 相比，standalone Asio 不依赖 Boost 的其他组件（如 Boost.System），因此更轻量，适合需要减少依赖的场景。

2. 安装与配置

下载

Standalone Asio 可从 GitHub 或其官方网站（think-async.com）获取最新版本。下载后，解压到项目目录。

配置

1. 头文件：将 Asio 的 include 目录添加到项目的头文件路径。
   • 核心头文件位于 asio/include/asio.hpp。
2. 编译：
   • Asio 是头文件库，无需单独编译库文件，只需包含头文件。
   • 确保编译器支持 C++11 或更高版本（推荐 C++17/C++20 以使用协程等高级功能）。
3. 宏定义：
   • 使用 standalone Asio 时，需定义 ASIO_STANDALONE 宏以启用独立模式。
   • 如果不使用系统提供的错误码（如 std::error_code），可定义 ASIO_NO_EXCEPTIONS 或 ASIO_NO_TYPEID 来禁用异常或 RTTI。
   • 示例编译命令（g++）：

     g++ -std=c++17 -Ipath/to/asio/include -DASIO_STANDALONE main.cpp -pthread

   • 注意：需要链接 pthread（Linux/Unix）或 ws2_32（Windows）等系统库。

依赖

• Standalone Asio 不依赖 Boost，但需要标准库支持（如 <thread>、<chrono> 等）。
• 如果使用 SSL 功能，需链接 OpenSSL 库。

3. 核心概念

Asio 的核心是异步操作和事件循环，以下是关键组件：

3.1 io_context

• asio::io_context 是 Asio 的核心调度器，负责管理异步操作的事件循环。
• 每个 io_context 维护一个任务队列，处理 socket、定时器等异步事件。
• 通常在程序启动时创建，并通过 run() 方法运行事件循环。

3.2 异步操作

Asio 支持以下异步模型：

1. 回调：通过传递回调函数（如 lambda 或函数对象）处理异步操作结果。
2. 协程（C++20）：使用 co_await 和 co_yield 简化异步代码。
3. Future/Promise：通过 std::future 或 Asio 的 use_future 实现同步风格的异步调用。

3.3 错误处理

• Asio 使用 std::error_code 表示操作结果，允许显式检查错误，而非抛出异常。
• 异步操作的回调函数通常接受一个 std::error_code 参数。

3.4 主要类

• Sockets：asio::ip::tcp::socket（TCP）、asio::ip::udp::socket（UDP）。
• Endpoints：asio::ip::tcp::endpoint（表示 IP 地址和端口）。
• Acceptors：asio::ip::tcp::acceptor（用于服务器接受连接）。
• Timers：asio::steady_timer（用于定时任务）。
• Buffers：asio::buffer（用于数据读写）。

4. 基本用法

以下是 standalone Asio 的典型使用场景和代码示例。

4.1 简单的 TCP 客户端

创建一个连接到服务器的 TCP 客户端，发送消息并接收响应。

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

using asio::ip::tcp;

int main() {
    try {
        // 创建 io_context
        asio::io_context io_context;

        // 创建 socket
        tcp::socket socket(io_context);

        // 定义服务器地址和端口
        tcp::endpoint endpoint(asio::ip::make_address("127.0.0.1"), 8080);

        // 连接到服务器
        socket.connect(endpoint);

        // 发送数据
        std::string message = "Hello, Asio!";
        asio::write(socket, asio::buffer(message));

        // 接收响应
        char reply[1024];
        size_t reply_length = socket.read_some(asio::buffer(reply));
        std::cout << "Reply: " << std::string(reply, reply_length) << std::endl;

        // 关闭 socket
        socket.close();
    }
    catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

说明：

• asio::write 和 read_some 是同步操作，适合简单场景。
• asio::buffer 包装数据以供读写。
• 使用 try-catch 处理可能的异常。

4.2 异步 TCP 服务器

实现一个异步 TCP 服务器，接受客户端连接并回显消息。

#include <asio.hpp>
#include <iostream>
#include <memory>

using asio::ip::tcp;

class Session : public std::enable_shared_from_this<Session> {
public:
    Session(tcp::socket socket) : socket_(std::move(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](std::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](std::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(asio::io_context& io_context, short port)
        : acceptor_(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)) {
        do_accept();
    }

private:
    void do_accept() {
        acceptor_.async_accept(
            [this](std::error_code ec, tcp::socket socket) {
                if (!ec) {
                    std::make_shared<Session>(std::move(socket))->start();
                }
                do_accept();
            });
    }

    tcp::acceptor acceptor_;
};

int main() {
    try {
        asio::io_context io_context;
        Server server(io_context, 8080);
        io_context.run();
    }
    catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

说明：

• 使用 async_read_some 和 async_write 实现异步读写。
• std::enable_shared_from_this 确保 Session 对象的生命周期安全。
• io_context.run() 运行事件循环，处理所有异步操作。
• 服务器持续监听 8080 端口，接受新连接并创建 Session 处理。

4.3 使用定时器

Asio 提供 steady_timer 用于定时任务，适合实现延迟或定时操作。

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

void print(const std::error_code& /*ec*/) {
    std::cout << "Timer expired!" << std::endl;
}

int main() {
    asio::io_context io_context;
    asio::steady_timer timer(io_context, std::chrono::seconds(5));
    timer.async_wait(&print);
    io_context.run();
    return 0;
}

说明：

• steady_timer 在 5 秒后触发回调函数 print。
• async_wait 是异步等待定时器到期。

4.4 使用 C++20 协程

如果编译器支持 C++20，Asio 提供协程支持，简化异步代码。

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

using asio::ip::tcp;
using asio::awaitable;

awaitable<void> echo(tcp::socket socket) {
    char data[1024];
    for (;;) {
        auto n = co_await socket.async_read_some(asio::buffer(data), asio::use_awaitable);
        co_await asio::async_write(socket, asio::buffer(data, n), asio::use_awaitable);
    }
}

awaitable<void> server(asio::io_context& io_context, short port) {
    tcp::acceptor acceptor(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port));
    for (;;) {
        auto socket = co_await acceptor.async_accept(asio::use_awaitable);
        co_spawn(io_context, echo(std::move(socket)), asio::detached);
    }
}

int main() {
    try {
        asio::io_context io_context;
        co_spawn(io_context, server(io_context, 8080), asio::detached);
        io_context.run();
    }
    catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

说明：

• 使用 co_await 和 awaitable 简化异步操作，代码更像同步风格。
• co_spawn 用于启动协程。
• 需要编译器支持 C++20 和 Asio 的协程功能（确保 Asio 版本足够新）。

5. 高级用法

5.1 多线程支持

Asio 支持多线程运行 io_context：

• 创建多个线程，每个线程调用 io_context.run()。
• 确保 socket 和其他资源不被多个线程同时访问（通常每个 socket 绑定到一个 io_context）。

示例：

asio::io_context io_context;
Server server(io_context, 8080);
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    threads.emplace_back([&io_context] { io_context.run(); });
}
for (auto& t : threads) {
    t.join();
}

5.2 SSL/TLS 支持

Asio 支持 SSL/TLS（需要 OpenSSL）。示例：

#include <asio/ssl.hpp>

asio::ssl::context ssl_context(asio::ssl::context::tls);
ssl_context.load_verify_file("ca.pem");
asio::ssl::stream<tcp::socket> ssl_socket(io_context, ssl_context);

• 配置 ssl::context 并使用 ssl::stream 包装普通 socket。

5.3 自定义分配器

Asio 允许自定义内存分配器以优化性能：

asio::io_context io_context;
asio::io_context::work work(io_context); // 防止 io_context 提前退出

5.4 UDP 示例

UDP 是无连接协议，适合广播或低延迟场景：

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

using asio::ip::udp;

int main() {
    asio::io_context io_context;
    udp::socket socket(io_context, udp::endpoint(udp::v4(), 0));
    udp::endpoint receiver(asio::ip::make_address("127.0.0.1"), 8080);
    socket.send_to(asio::buffer("Hello UDP"), receiver);
    io_context.run();
    return 0;
}

6. 注意事项

1. 错误处理：
   • 始终检查 std::error_code 或使用异常处理。
   • 异步操作可能因网络中断、超时等失败，需妥善处理。
2. 性能：
   • 避免在回调中执行耗时操作，防止阻塞事件循环。
   • 使用多线程或多 io_context 提高并发性能。
3. 平台差异：
   • Windows 使用 IOCP，Linux 使用 epoll，macOS 使用 kqueue，Asio 自动适配。
   • 某些功能（如文件 I/O）可能在特定平台上不可用。
4. 调试：
   • 启用日志或使用调试器检查异步操作的状态。
   • 确保 io_context.run() 被调用，否则异步任务不会执行。

Demo：使用 cpp-httplib + Asio 协程 实现简单时间服务器

下面给出一个最小可运行的示例，使用 standalone Asio 的协程（C++20）处理后端逻辑，并使用 cpp-httplib 提供 HTTP 接口。该示例将在 /time 路径返回服务器当前时间的字符串。

说明与依赖：

• 需要编译器支持 C++20 协程（例如 g++ 11+ 或 clang 对应版本）。
• 需要将 Asio 的 include 路径加入编译器，并定义宏 ASIO_STANDALONE。
• 需要包含 cpp-httplib 的单头文件 httplib.h。
• 编译时示例命令（Linux）：
  g++ -std=c++20 -I/path/to/asio/include -I/path/to/cpp-httplib -DASIO_STANDALONE time_server.cpp -pthread -o time_server

示例代码（time_server.cpp）：

// time_server.cpp
#include <asio.hpp>
#include <asio/awaitable.hpp>
#include <asio/use_awaitable.hpp>
#include <asio/co_spawn.hpp>
#include <asio/detached.hpp>

#define CPPHTTPLIB_OPENSSL_SUPPORT
#include "httplib.h" // https://github.com/yhirose/cpp-httplib (单头)

#include <chrono>
#include <ctime>
#include <iostream>
#include <string>

using asio::ip::tcp;
using asio::awaitable;
using asio::use_awaitable;

/**
 * 获取当前时间字符串（本地时间）
 */
static std::string current_time_string() {
    using namespace std::chrono;
    auto now = system_clock::now();
    std::time_t t = system_clock::to_time_t(now);
    char buf[64];
    std::strftime(buf, sizeof(buf), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", std::localtime(&t));
    return std::string(buf);
}

/**
 * 一个简单的 awaitable 协程，用于定期（或按需）生成时间数据。
 * 本示例中我们不需要复杂的异步 socket 操作，核心是展示如何在
 * Asio 协程上下文中与 httplib 一起工作。
 */
awaitable<void> asio_worker(asio::io_context& io_ctx) {
    // 这里可以放置任何需要在 Asio 事件循环中执行的协程任务
    // 本示例只是挂起，保持 io_context 运行，实际的 HTTP 服务由 cpp-httplib 启动
    co_return;
}

int main() {
    try {
        // 创建 Asio io_context（协程运行时）
        asio::io_context io_ctx(1);

        // 启动一个协程（示例占位）
        asio::co_spawn(io_ctx, asio_worker(io_ctx), asio::detached);

        // 在单独线程中运行 io_context（与 httplib HTTP 服务器并行）
        std::thread asio_thread([&]{
            try {
                io_ctx.run();
            } catch (const std::exception& e) {
                std::cerr << "Asio thread exception: " << e.what() << std::endl;
            }
        });

        // 使用 cpp-httplib 提供 HTTP 接口
        httplib::Server svr;

        svr.Get("/time", [](const httplib::Request& /*req*/, httplib::Response& res) {
            // 返回当前时间字符串
            res.set_content(current_time_string(), "text/plain; charset=utf-8");
        });

        // 监听 8080 端口（本地）
        std::cout << "HTTP time server listening on http://0.0.0.0:8080/time\n";
        svr.listen("0.0.0.0", 8080);

        // 当 svr.listen 返回时，停止 io_context 并等待线程结束
        io_ctx.stop();
        if (asio_thread.joinable()) asio_thread.join();
    }
    catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
        return 1;
    }
    return 0;
}

运行后，访问：http://127.0.0.1:8080/time 将会返回类似：
2025-09-23 19:01:02

注意事项：

• 该示例把 Asio 的 io_context 与 cpp-httplib 的事件循环分离到不同线程，避免了两者事件循环直接冲突。
• 在更复杂的场景中，可将 HTTP 请求处理委派到 Asio 协程中以完成异步 I/O（例如通过 socket）。
• 如果需要把全部逻辑都放到 Asio 协程中（例如自实现 HTTP 或使用支持 Asio 的 HTTP 库），可以用 acceptor + tcp socket + awaitable 来完全基于 Asio 实现。

7. 总结

Standalone Asio 是一个功能强大且灵活的异步 I/O 库，适合开发高性能网络应用。通过回调、协程或 Future 等方式，开发者可以根据需求选择合适的异步模型。以下是关键点：

• 核心组件：io_context、socket、acceptor、timer 等。
• 异步模型：回调、协程、Future。
• 跨平台：支持多种操作系统，配置简单。
• 扩展性：支持多线程、SSL、自定义分配器等高级功能。