生活随笔
收集整理的這篇文章主要介紹了
C++ 协程与网络编程
小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.
協(xié)程
協(xié)程，即協(xié)作式程序，其思想是，一系列互相依賴的協(xié)程間依次使用CPU，每次只有一個協(xié)程工作，而其他協(xié)程處于休眠狀態(tài)。協(xié)程可以在運(yùn)行期間的某個點(diǎn)上暫停執(zhí)行，并在恢復(fù)運(yùn)行時從暫停的點(diǎn)上繼續(xù)執(zhí)行。?
與線程不同，協(xié)程是自己主動讓出CPU，并交付他期望的下一個協(xié)程運(yùn)行，而不是在任何時候都有可能被系統(tǒng)調(diào)度打斷。因此協(xié)程的使用更加清晰易懂，并且多數(shù)情況下不需要鎖機(jī)制。 與線程相比，協(xié)程的切換由程序控制，發(fā)生在用戶空間而非內(nèi)核空間，因此切換的代價非常小。 網(wǎng)絡(luò)編程模型
首先來簡單回顧一下一些常用的網(wǎng)絡(luò)編程模型。網(wǎng)絡(luò)編程模型可以大體的分為同步模型和異步模型兩類。
同步模型使用阻塞IO模式,在阻塞IO模式下調(diào)用read等IO函數(shù)時會阻塞線程直到IO完成或失敗。
同步模型的典型代表是thread per connection模型，每當(dāng)阻塞在主線程上的accept調(diào)用返回時則創(chuàng)建一個新的線程去服務(wù)于新的socket的讀/寫。這種模型的優(yōu)點(diǎn)是程序簡潔，編寫簡單；缺點(diǎn)是可伸縮性收到線程數(shù)的限制，當(dāng)連接越來越多時，線程也越來越多，頻繁的線程切換會嚴(yán)重拖累性能。
異步模型一般使用非阻塞IO模式，并配合epoll/select/poll等多路復(fù)用機(jī)制。在非阻塞模式下調(diào)用read，如果沒有數(shù)據(jù)可讀則立即返回并通知用戶沒有可讀（EAGAIN/EWOULDBLOCK），而非阻塞當(dāng)前線程。異步模型可以使一個線程同時服務(wù)于多個IO對象。
異步模型的典型代表是reactor模型。在reactor模型中，我們將所有要處理的IO事件注冊到一個中心的IO多路復(fù)用器中（一般為epoll/select/poll），同時主線程阻塞在多路復(fù)用器上。一旦有IO事件到來或者就緒，多路復(fù)用器返回并將對應(yīng)的IO事件分發(fā)到對應(yīng)的處理器（即回調(diào)函數(shù)）中，最后處理器調(diào)用read/write函數(shù)來進(jìn)行IO操作。
異步模型的特點(diǎn)是性能和可伸縮性比同步模型要好很多，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于編寫和維護(hù)。在異步模型中，IO之前的代碼（IO任務(wù)的提交者）和IO之后的處理代碼（回調(diào)函數(shù)）是割裂開來的。
協(xié)程與網(wǎng)絡(luò)編程
協(xié)程為克服同步模型和異步模型的缺點(diǎn)，并結(jié)合他們的優(yōu)點(diǎn)提供了可能：
首先簡單認(rèn)識一下調(diào)度器：一個線程運(yùn)行一個調(diào)度器，可以在一個調(diào)度器上創(chuàng)建若干個協(xié)程。調(diào)度器負(fù)責(zé)調(diào)度這些協(xié)程。并且調(diào)度器在其內(nèi)部維護(hù)了一個多路復(fù)用器（epoll/select/poll）。
現(xiàn)在假設(shè)我們有3個協(xié)程A,B,C分別要進(jìn)行數(shù)次IO操作。這3個協(xié)程運(yùn)行在同一個調(diào)度器(線程)的上下文中，并依次使用CPU。
協(xié)程A首先運(yùn)行，當(dāng)它執(zhí)行到一個IO操作，但該IO操作并沒有立即就緒時，A將該IO事件注冊到調(diào)度器中，并主動放棄CPU。這時調(diào)度器將B切換到CPU上開始執(zhí)行，同樣，當(dāng)它碰到一個IO操作的時候?qū)O事件注冊到調(diào)度器中，并主動放棄CPU。調(diào)度器將C切換到cpu上開始執(zhí)行。當(dāng)所有協(xié)程都被“阻塞”后，調(diào)度器檢查注冊的IO事件是否發(fā)生或就緒。假設(shè)此時協(xié)程B注冊的IO事件已經(jīng)就緒，調(diào)度器將恢復(fù)B的執(zhí)行，B將從上次放棄CPU的地方接著向下運(yùn)行。A和C同理。
這樣，對于某個協(xié)程而言，我們采用的是同步的模型；但是對于整個調(diào)度器（線程）而言，實(shí)際上卻是異步的模型。
好了，原理說完了，我們來看一個實(shí)際的例子，echo server。
echo server
在這個例子中，我們將使用orchid庫來編寫一個echo server。orchid庫是一個構(gòu)建于boost基礎(chǔ)上的 協(xié)程/網(wǎng)絡(luò)IO 庫。
echo server首先必須要處理連接事件，我們創(chuàng)建一個協(xié)程來專門處理連接事件：
01 typedef boost::shared_ptr<orchid::socket> socket_ptr;
03 void?handle_accept(orchid::coroutine_handle co) {
05 ????????orchid::acceptor acceptor(co -> get_scheduler().get_io_service());//構(gòu)建一個acceptor
06 ????????acceptor.bind_and_listen("5678",true);
08 ????????????socket_ptr sock(new?orchid::socket(co -> get_scheduler().get_io_service()));
09 ????????????acceptor.accept(*sock,co);
10 ????????????co -> get_scheduler().spawn(boost::bind(handle_io,_1,sock),orchid::minimum_stack_size());//在調(diào)度器上創(chuàng)建一個協(xié)程來服務(wù)新的socket。
11 ????????????????????????????????????????????//第一個參數(shù)是要創(chuàng)建的協(xié)程的main函數(shù)，
12 ????????????????????????????????????????????//第二個參數(shù)是要創(chuàng)建的協(xié)程的棧的大小。
15 ????catch(boost::system::system_error& e) {
16 ????????cerr<<e.code()<<" "<<e.what()<<endl;
在上面的代碼中，我們創(chuàng)建了一個acceptor，并讓它監(jiān)聽5678端口，然后在"阻塞"等待連接到來，當(dāng)連接事件到來時，創(chuàng)建一個新的協(xié)程來服務(wù)新的socket。處理套接字IO的協(xié)程如下：
在orchid中，協(xié)程的main函數(shù)必須滿足函數(shù)簽名void(orchid::coroutine?handle)，如handle? accept所示，其中參數(shù)co是協(xié)程句柄，代表了當(dāng)前函數(shù)所位于的協(xié)程。
01 //處理SOCKET IO事件的協(xié)程
02 void?handle_io(orchid::coroutine_handle co,socket_ptr sock) {
03 ????orchid::tcp_ostream out(*sock,co);
04 ????orchid::tcp_istream in(*sock,co);
05 ????for(std::string str;std::getline(in, str) && out;)
07 ????????out<<str<<endl;
IO處理協(xié)程首先在傳入的套接字上創(chuàng)建了一個輸入流和一個輸出流，分別代表了TCP的輸入和輸出。然后不斷地從輸入流中讀取一行，并輸出到輸出流當(dāng)中。當(dāng)socket上的TCP連接斷開時，輸入流和輸出流的eof標(biāo)志為會被置位，因此循環(huán)結(jié)束，協(xié)程退出。
orchid可以使用戶以流的形式來操作套接字。輸入流和輸出流分別提供了std::istream和std::ostream的接口；輸入流和輸出流是帶緩沖的，如果用戶需要無緩沖的讀寫socket或者自建緩沖，可以直接調(diào)用orchid::socket的read和write函數(shù)。但是需要注意這兩個函數(shù)會拋出boost::system _ error異常來表示錯誤。
細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，handle?io的函數(shù)簽名并不滿足void(orchid::coroutine? handle)，回到handle?accept中，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上我們使用了boost.bind對handle? io函數(shù)進(jìn)行了適配，使之符合函數(shù)簽名的要求。
最后是main函數(shù)：
2 ????orchid::scheduler sche;
3 ????sche.spawn(handle_accept,orchid::coroutine::minimum_stack_size());//創(chuàng)建協(xié)程
在上面這個echo server的例子中，我們采用了一種 coroutine per connection 的編程模型，與傳統(tǒng)的 thread per connection 模型一樣的簡潔清晰，但是整個程序?qū)嶋H上運(yùn)行在同一線程當(dāng)中。
由于協(xié)程的切換開銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線程，因此我們可以輕易的同時啟動上千協(xié)程來同時服務(wù)上千連接，這是 thread per connection的模型很難做到的；由于整個底層的IO系統(tǒng)實(shí)際上是使用boost.asio這種高性能的異步io庫來實(shí)現(xiàn)的，而且協(xié)程切換的開銷非常小，所以能夠達(dá)到很高的性能；在伸縮性方面，可以使用scheduler per cpu的方式，即為每個CPU核心分配一個調(diào)度器，有多少個CPU核心就建立多少個調(diào)度器。
總結(jié):通過協(xié)程，我們可以在保持同步IO模型簡潔性的同時，獲得近似于異步IO模型的高性能和伸縮性。
總結(jié)
以上是生活随笔 為你收集整理的C++ 协程与网络编程 的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
如果覺得生活随笔 網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔 推薦給好友。
