Boost Asio에 대해서 알아보자

Boost 비동기 통신 서버&클라이언트를 정리중...

필수 개념인 Asio에 대해서 먼저 정리해야겠다 생각들어서

따로 게시글로 뺐다 ㅈㄱㄴ

 

boost 홈페이지에 설명이 잘 되어있어서, 요걸 정리하려고 한다

(첨부 링크 참조)

 

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1. Boost.Asio ( Asynchronous I/O ) 가 뭐지?

 

Boost 공식홈피: Boost.Asio is a cross-platform C++ library for network and low-level I/O programming that provides developers with a consistent asynchronous model using a modern C++ approach.

 

cf) 어떤 운영체제여도, 실행 가능하게 동작하게 할 수 있는 플랫폼이 크로스 플랫폼

 

먼저, Asio은 Async I/O의 줄임말이고 뜻대로 해석하면 비동기 I/O이다.

 

우리가 Asio 방식으로 소켓 통신을 구현할 때, 

리눅스에서는 EPOLL, 윈도우에서는 IOCP라는 것을 사용할텐데

 

소켓 통신은 커널과 어플리케이션 사이만 고려해도 구현할게 참 많다

 

소켓 통신 관리도 해주고, 운영체제 구분 없이 사용 가능한 라이브러리가

boost에서 만든 Boost.Asio 라이브러리이다

 

2. Sync I/O 과 Async I/O

Boost에서 Asio가 어떻게 동작하는지 알아보기 이전에,

I/O 방식에 대해서 먼저 정리하려고 한다

 

I/O 방식은 동기식(Sync)과 비동기식(Async) 두 가지가 있다

Blocking과 Non-blocking 비슷한 개념이라고 생각하면 된다 (물론 다름!)

 

 

동기식이냐... 블록킹이냐... 비동기냐.... 논블록킹이냐...

이거도 알아야할게 많아서, 글의 마지막에 살짝 정리만 해두겠다 ↓

우선 Sync Blocking I/O와 Async Non-Blocking I/O에 대해서만 다루겠다

 

 

(1) Sync I/O (Blocking일 때)

 

Sync I/O + Blocking 일 때

I/O를 할 때, 어플에서 Read하고 Write를 호출해서 데이터를 읽고 쓴다

 

Sync I/O는 단순히 어플에서 Read()를 호출하여 I/O 기능을 수행하고,

커널이 다 읽어서 줄 때까지 기다린다

커널은 다 읽으면 어플한테 읽은 Data와 Read() 함수의 결과 값을 준다

 

Sync I/O는 이해하기 쉽고, 단순히 커널의 응답을 기다리기만 하면 돼서,

처리 방법도 간단하다는 장점이 있다

 

그러나, 다 읽었다는 응답이 오기전까지 어플은 blocking 되고, 

다른건 할 수 없으셈..

 

EPOLL을 사용해서, socket FD를 등록해서 Non-blocking으로 구현할 수도 있음

하지만 boost.Asio로 구현할거니까 non-blocking은 생략하겠음

 

 

(2) Async I/O (Non-Blocking일 때)

 

Async I/O + Non-Blocking일 때

 

I/O를 할 때, 어플에서 Read하고 Write를 호출해서 데이터를 읽고 쓰는건

Sync일 때와 Async일 때 모두 같은 기능을 수행한다

 

Async일 때 다른 점은 그러면 무엇이냐..

어플은 Read()를 호출해서 커널한테 읽어주셈 하면

커널은 ㅇㅋ 읽고 알려주겠음 하고 쿨하게 읽으러 간다

 

Read() 호출을 하고, 읽은 결과와는 상관 없이 결과를 return 받는다

그러면 어플은 커널이 다 읽었다는 결과를 알려주기 전까지

다른 작업을 하고 있을 수 있다

 

커널은 다 읽으면, 읽은 Data나 결과 값을 어플에게 알려주는데,

이 때는 다 읽었다! 라는 signal만 줄 수도 있고, callback 형태로 알려줄 수 있다

 

어플은 커널이 읽었다고 알려줄 때까지 다른 일 하다가

읽었다고 하면, 뭐 읽었나 보면 되는 것이다

아주 효율적이군.

 

 

3. Boost.Asio 사용 방법

 

Boost.Asio는 소켓이랑 비슷한 역할을 하는 I/O Object라는 것으로

Sync와 Async I/O를 둘다 구현이 가능하다

 

I/O Object는 다음과 같이 객체선언으로 사용하면 된다

 

#include <boost/asio.hpp>

boost::asio::io_context io_context;

 

(io_service 사용이 io_context로 바뀌었다고 한다;;;)

프로그램에는 io_context 객체 같은 I/O 기능을 실행할 수 있는 무언가가 있게 된다

요걸 이용해서, socket 통신도 하고~ 에러 발생하면 에러도 처리하고~ 

 

Boost Asio가 원래 우리가 커널을 통해 I/O 작업을 하던걸 중간에서 대신 해주는거라고

생각하면 이해가 쉽게 갈 것이다

 

soket FD를 사용해서 Read() Write() 하듯이

io_context를 사용해서 Read() Write() 하는거다

 

그러면 boost에서 io_context를 어떻게 사용해야하는지

Sync와 Async 구현을 나눠서 보도록 하겠다

(io_service랑 io_context가 같은거임)

 

(1) Boost.Asio - Sync 

ㅎㅎ 이게 그림인가

TCP 클라이언트일 때를 예로 들어보자

위에 그림은 Boost 홈페이지에 있는건데, 원래 설명에 조금 덧붙여서 정리하겠다

 

우리 프로그램에서 io_context 객체를 최소 한개는 갖고 있지 않은가?

그러면 요 io_context를 통해 TCP socket을 등록할 수 있다

 

boost::asio::io_context io_context;
boost::asio::ip::tcp::socket socket(io_context);

 

바로 요렇겜. 그러면 socket과 io_context가 등록(?) 됐다고 할 수 있겠다

이렇게 연결된 소켓으로 I/O operation을 수행할 수 있으시겠다.

이후 동작은 그림에 있는 번호와 함께 정리하겠다

 

1. 클라이언트라면 서버에 연결을 해야하지 않는가ㅏㅏ

 

tcp::socket socket(io_context);
boost::asio::connect(socket, endpoint);

 

endpoint는 뭐지? 라고 생각이 들텐데,

당연히 connect를 하려면, 연결할 서버의 IP 주소와 Port 번호를 알아야한다

 

tcp::resolver resolver(io_context);
tcp::resolver::query query("localhost", "7777");
tcp::resolver::iterator endpoint = resolver.resolve(query);

 

endpoint는 resolver라는 것을 통해서 할 수 있다

resolver는 연결하고자 하는 서버의 주소에 대해 DNS query를 해준다

즉, 어플에서 DNS 이름을 확인해주는 인터페이스를 제공해준다 ㅋ

(실제 연결해줄 수 있는 주소인지 아닌지)

 

2. io_context는 I/O Execution context에 전달하는 역할

어플과 커널 사이에 중간 다리 역할을 해주는 것임

 

3. io_context는 수행하고자하는 I/O 작업을 운영체제한테 알려줌

 

4. 운영체제는 I/O 작업을 실행한 결과를 io_context에게 return 해줌

 

5. return 결과를 받은 io_context는 어플한테 결과를 알려줘야 함

어떻게?  boost::system::error_code를 통해서

 

6. 결과는 받는건 두 가지 방법으로 받음

1) error_code를 통해서 받기

 

boost::system::error_code ec;
socket.connect(server_endpoint, ec);

 

파라미터로 넣어서 받아오면 됨 ㅋ

 

2) I/O object가 throws 해주는 exception으로 받아와도 됨ㅋ

 

 

(2) Boost.Asio - Async

그러면 비동기일 때는 어떻게 달라질까를 보겠다

 

 

1. connect를 하는건 똑같은데, 함수의 이름만 달라진다

 

socket.async_connect(server_endpoint, your_completion_handler);

 

connect() 대신 async_connect() 함수를 사용하고,

비동기 통신이기 때문에, 두번째 파라미터에 callback 함수만 등록해주면

실행결과에 대해 callback을 통해 받을 수 있다

 

2. I/O 객체를 통해 I/O 실행 context에게 요청을 전달한다 ~_~

 

3. I/O 실행 context는 어플이 요청한 Asynchronous connect에 대해

운영체제에게 signal을 보낸다

 

↑ 여기까지의 과정은 사실 동기식 방식과 비슷한데,

다른건 시간이다.

운영체제에 I/O 작업이 전달되는 동안의 시간은 비동기식에서는 포함되지 않는다

 

 

 

4. OS는 I/O 작업에 대해 완료가 되면, io_context에게 알려줌

 

5. 어플에서는 비동기 작업에 대해 시작한다는 의미로 io_context::run()를 호출해야 함

 

6. io_context는 실행 결과에 대해 callback 함수에 전달한다 

 

↑ 위에 그림에서 화살표와 그냥 점선이 있는데

비동기식이니까 굳이 순서가 아닌 단계(?)로만 생각하자

 

실질적인 코드는 다음 글에서.....

 

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cf) Sync & Async & Blocking & Non-Blocking 차이점

요건 오늘 주제를 정리하면서 알게된건데, 첨부링크에 있는 자바지기 님의 글을 참고해서 정리했따

system call을 이해하기 쉽게 함수 호출이라 칭하겠다

 

1. Sync & Async 차이는?  → 누가 함수 완료 시키는지가 중요

• Sync: 어플에서 호출한 함수의 완료를 기다림 (ex. return 결과)
• Async: 커널에서 어플이 호출한 함수를 완료시키고, 어플은 안 기다리고 다른거 함
  • (ex. callback 등록 후 다른거 함) 

 

2. Blocking & Non-Blocking 차이는? → 언제 return하는지가 중요

• Blocking: 어플이 함수를 호출 → 운영체제 대기 큐에 등록 → 함수 실행 완료 후 결과를 return 받음
• Non-Blocking: 어플이 함수를 호출 → 실행완료 되든 안되든 결과를 바로 return 받음

 

 

3. Sync & Blocking 차이는?

• Sync: 어플에서 함수 return 완료를 기다리는 동안 대기 큐에 머물지 않아도 됨 (필수X)
  • O_NONBLOCK 옵션 등을 사용해서 Non-blocking으로 바로 return 받을 수 있음
• Blocking: 어플에서 함수 return 완료를 기다리는 동안 대기 큐에 머물러야 함 (필수 O)
  • 완료되어서 return 받을 때까지 킵고잉~

 

4. Async & Non-Blocking 차이는?

• Async: 함수 실행이 잘 됐다!에 대한 결과가 아니라 함수 실행 했다!에 대한 결과를 바로 return
• Non-Blocking: 함수 실행이 잘 됐다! 데이터가 없어서 읽을 수는 없다!에 대한 결과를 바로 return

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* Boost Asio 설명

www.boost.org/doc/libs/1_76_0/doc/html/boost_asio/overview/core/basics.html

Basic Boost.Asio Anatomy - 1.76.0

* Sync&Async I/O 설명

developer.ibm.com/technologies/linux/articles/l-async/

Boost application performance using asynchronous I/O

www.slipp.net/questions/367

sync와 async, blocking과 non-blocking 차이점은?

 

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코드로만 개발했던거에 대해

개념을 이해하려니까 놓친 부분이 많았다 

이제라도 알면 돼