asio多线程模型IOServicePool

简介

前面的设计，我们对asio的使用都是单线程模式，为了提升网络io并发处理的效率，这一次我们设计多线程模式下asio的使用方式。总体来说asio有两个多线程模型，第一个是启动多个线程，每个线程管理一个iocontext。第二种是只启动一个iocontext，被多个线程共享，后面的文章会对比两个模式的区别，这里先介绍第一种模式，多个线程，每个线程管理独立的iocontext服务。

单线程和多线程对比

之前的单线程模式图如下

我们设计的IOServicePool类型的多线程模型如下：

IOServicePool多线程模式特点

1 每一个io_context跑在不同的线程里，所以同一个socket会被注册在同一个io_context里，它的回调函数也会被单独的一个线程回调，那么对于同一个socket，他的回调函数每次触发都是在同一个线程里，就不会有线程安全问题，网络io层面上的并发是线程安全的。

2 但是对于不同的socket，回调函数的触发可能是同一个线程(两个socket被分配到同一个io_context)，也可能不是同一个线程(两个socket被分配到不同的io_context里)。所以如果两个socket对应的上层逻辑处理，如果有交互或者访问共享区，会存在线程安全问题。比如socket1代表玩家1，socket2代表玩家2，玩家1和玩家2在逻辑层存在交互，比如两个玩家都在做工会任务，他们属于同一个工会，工会积分的增加就是共享区的数据，需要保证线程安全。可以通过加锁或者逻辑队列的方式解决安全问题，我们目前采取了后者。

3 多线程相比单线程，极大的提高了并发能力，因为单线程仅有一个io_context服务用来监听读写事件，就绪后回调函数在一个线程里串行调用, 如果一个回调函数的调用时间较长肯定会影响后续的函数调用，毕竟是穿行调用。而采用多线程方式，可以在一定程度上减少前一个逻辑调用影响下一个调用的情况，比如两个socket被部署到不同的iocontext上，但是当两个socket部署到同一个iocontext上时仍然存在调用时间影响的问题。不过我们已经通过逻辑队列的方式将网络线程和逻辑线程解耦合了，不会出现前一个调用时间影响下一个回调触发的问题。

IOServicePool实现

IOServicePool本质上是一个线程池，基本功能就是根据构造函数传入的数量创建n个线程和iocontext，然后每个线程跑一个iocontext，这样就可以并发处理不同iocontext读写事件了。

IOServicePool的声明

class AsioIOServicePool:public Singleton<AsioIOServicePool>
{
	friend Singleton<AsioIOServicePool>;
public:
	using IOService = boost::asio::io_context;
	using Work = boost::asio::io_context::work;
	using WorkPtr = std::unique_ptr<Work>;
	~AsioIOServicePool();
	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_context& GetIOService();
	void Stop();
private:
	AsioIOServicePool(std::size_t size = std::thread::hardware_concurrency());
	std::vector<IOService> _ioServices;
	std::vector<WorkPtr> _works;
	std::vector<std::thread> _threads;
	std::size_t   _nextIOService;
};

1 _ioServices是一个IOService的vector变量，用来存储初始化的多个IOService。

2 WorkPtr是boost::asio::io_context::work类型的unique指针。
在实际使用中，我们通常会将一些异步操作提交给io_context进行处理，然后该操作会被异步执行，而不会立即返回结果。如果没有其他任务需要执行，那么io_context就会停止工作，导致所有正在进行的异步操作都被取消。这时，我们需要使用boost::asio::io_context::work对象来防止io_context停止工作。

boost::asio::io_context::work的作用是持有一个指向io_context的引用，并通过创建一个“工作”项来保证io_context不会停止工作，直到work对象被销毁或者调用reset()方法为止。当所有异步操作完成后，程序可以使用work.reset()方法来释放io_context，从而让其正常退出。

3 _threads是一个线程vector,管理我们开辟的所有线程。

4 _nextIOService是一个轮询索引，我们用最简单的轮询算法为每个新创建的连接分配io_context.

5 因为IOServicePool不允许被copy构造，所以我们将其拷贝构造和拷贝复制函数置为delete

接下来我们实现构造函数

AsioIOServicePool::AsioIOServicePool(std::size_t size):_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]));
	}

	//遍历多个ioservice，创建多个线程，每个线程内部启动ioservice
	for (std::size_t i = 0; i < _ioServices.size(); ++i) {
		_threads.emplace_back([this, i]() {
			_ioServices[i].run();
			});
	}
}

_works是unique_ptr的vector类型，所以初始化时要么放在构造函数初始化列表里初始化，要么通过一个临时的std::unique_ptr右值初始化，我们采取的是第二种。

实现获取io_context&的函数

boost::asio::io_context& AsioIOServicePool::GetIOService() {
	auto& service = _ioServices[_nextIOService++];
	if (_nextIOService == _ioServices.size()) {
		_nextIOService = 0;
	}
	return service;
}

我们根据_nextIOService作为索引，轮询获取io_context&。

同样我们要实现Stop函数，控制AsioIOServicePool停止的行为。因为我们要保证每个线程安全退出后再让AsioIOServicePool停止。

void AsioIOServicePool::Stop(){
	for (auto& work : _works) {
		work.reset();
	}

	for (auto& t : _threads) {
		t.join();
	}
}

其中work.reset()是让unique指针置空并释放，那么work的析构函数就会被调用，work被析构，其管理的io_service在没有事件监听时就会被释放。

优雅退出

IOServicePool多线程服务器退出时，需要捕获退出信号如SIGINT,SIGTERM等，将退出信号和一个iocontext绑定，当收到退出信号时，我们将IOServicePool停止，并且停止iocontext即可。

int main()
{
	try {
		auto pool = AsioIOServicePool::GetInstance();
		boost::asio::io_context  io_context;
		boost::asio::signal_set signals(io_context, SIGINT, SIGTERM);
		signals.async_wait([&io_context,pool](auto, auto) {
			io_context.stop();
			pool->Stop();
			});
		CServer s(io_context, 10086);
		io_context.run();
	}
	catch (std::exception& e) {
		std::cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
	}

}

上例中，我们将一个iocontext绑定给Server，当收到退出消息后停止这个iocontext，并且停止IOServicePool。

总结

本文总结了如何使用IOServicePool模式构造多线程模型的asio服务器。

视频连接https://space.bilibili.com/271469206/channel/collectiondetail?sid=313101

源码链接https://gitee.com/secondtonone1/boostasio-learn