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Boost.Asio 有两种支持多线程的方式:

  • 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 run() 方法。
  • 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 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:

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    class AsioIOServicePool
    {
    public:
    using IOService = boost::asio::io_context;
    using ExecutorType = boost::asio::io_context::executor_type;
    using Work = boost::asio::executor_work_guard<ExecutorType>;
    using WorkPtr = std::unique_ptr<Work>;

    // the constructor just launches some amount of threads
    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]));
    }

    // one io_context per thread
    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()
    {
    // Once the work object is destroyed, the service will 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:

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    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 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)。
  • 值得一提的还有,成员变量 work_guard_ 的作用是让 io_context 即使在没有异步任务可执行时也保持运行(即 io_context::run 不返回)。详见 Stack Overflow 的讨论: Why should I use io_service::work?

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    #include <functional>
    #include <iostream>
    #include <mutex>
    #include <thread>
    #include <vector>

    #define BOOST_ASIO_NO_DEPRECATED
    #include <boost/thread/thread.hpp>
    #include <boost/asio.hpp>

    class ThreadPool {
    public:
    // the constructor just launches some amount of threads
    explicit ThreadPool(std::size_t size) :
    io_context_(size),
    strand_(io_context_),
    work_guard_(boost::asio::make_work_guard(io_context_))
    {
    // one io_context and multi-thread
    for (std::size_t i = 0; i < size; ++i) {
    // all the threads do is execute the io_context::run()
    group_.create_thread([&](){ io_context_.run(); });
    }
    }

    // the destructor joins all threads
    ~ThreadPool() {
    // Once the work object is destroyed, the service will stop.
    work_guard_.reset();
    group_.join_all();
    }

    // Add new work item to the pool.
    template<class F>
    void Enqueue(F f) {
    // Submits a completion token or function object for execution.
    boost::asio::post(io_context_, f);
    }

    private:
    boost::thread_group group_;
    boost::asio::io_context io_context_;

    // prevent the run() method from return.
    typedef boost::asio::io_context::executor_type ExecutorType;
    boost::asio::executor_work_guard<ExecutorType> work_guard_;
    };

    // For output.
    std::mutex g_io_mutex;

    int main ( int argc, char* argv[] ) {
    int thread_num = std::thread::hardware_concurrency();
    std::cout << "thread num: " << thread_num<< std::endl;

    ThreadPool pool(thread_num);
    // Queue a bunch of work items.
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    pool.Enqueue([i] {
    {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(g_io_mutex);
    std::cout << "Hello" << "(" << i << ") " << std::endl;
    }

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

    {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(g_io_mutex);
    std::cout << "World" << "(" << i << ")" << std::endl;
    }
    });
    }

    return 0;
    }

    输出(每次都不一样):

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    Hello(1)
    Hello(2)
    Hello(3)
    <Wait about 1 second>
    World(3)
    World(2)
    World(1)
    World(0)