浅谈 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？

• 在多核的机器上，这种方案可以充分利用多个 CPU 核心。
• 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。
• 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：

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