Boost ASIO 库深入学习（3）

Boost ASIO 库深入学习（3）

UDP简单通信导论

在继续深入前，我们不妨也来点碎碎念，因为UDP通信协议的模型与TCP是不同的，这种差异正是理解“无连接通信”的关键所在。我们下面要构建的，是一个经典的UDP通信对，UDP服务器（接收特定的消息）与UDP客户端（发送数据报文并等待可能的响应）。这将帮助我们在编程过程中更加明确目标。

UDP通信是轻量级的。UDP客户端若想发起通信，第一步同样是创建Socket套接字，但与TCP不同，UDP不建立连接，它是“无连接”的协议。客户端不需要预先连接目标地址，它只需要准备好要发送的消息，指定目标的IP地址和端口，然后就可以将数据报文（Datagram）直接发出。需要注意的是，由于UDP不保证可靠传输，因此丢包、顺序错乱或者重复发送都是可能出现的情况。

另一方面，UDP服务器的工作更像一个随时准备接收包裹的邮筒。它需要创建UDP Socket，并绑定在指定的IP和端口上（这一点和TCP服务端类似）。不过，它不需要监听或者接受连接请求，它所要做的，就是不断地接收来自任意来源的数据报。这些数据报可能来自任何客户端，彼此之间没有状态记录，因此每一条消息都应被视作独立处理。

一旦UDP服务器接收到客户端的消息，它可以选择是否回应，如果回应，那么也需要指明目标地址（通常就是消息来源）。因为UDP的“无连接”性质，每一次通信都是“即发即收”，不保证对方一定在线或一定收到。

典型UDP服务使用知名端口如53（DNS），而我们在后续的例子中将尝试使用随机端口，模拟UDP服务端和客户端之间的简单通信。

了解了这个基本模型，我们就可以借助 Boost ASIO 来尝试构建这个轻量级的UDP通信系统了。我们即将展示的代码，会用最小化的结构完成一次完整的UDP消息发送与接收过程。

UDP客户端

​ UDP的客户端跟TCP的可以说是大差不差

#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/ip/udp.hpp>
#include <exception>
#include <print>using boost::asio::ip::udp;
int main(int argc, char* argv[]) {if (argc != 2) {std::println("Error usage!");return -1;}try {boost::asio::io_context io_context;udp::resolver solver(io_context);auto receiver_endpoint = *solver.resolve(udp::v4(), argv[1], "daytime").begin();udp::socket socket(io_context);socket.open(udp::v4());std::array<char, 1> send_buf = { { 0 } };socket.send_to(boost::asio::buffer(send_buf), receiver_endpoint);std::array<char, 128> recv_buf;udp::endpoint sender_endpoint;socket.receive_from(boost::asio::buffer(recv_buf), sender_endpoint);std::println("receive: {}", recv_buf.data());} catch (const std::exception& e) {std::println("Exception occurs: {}", e.what());}
}

​ 值得注意的是，这里我们需要发一个空载的包刺激对方UDP服务器，这是因为UDP通信中缺乏了状态薄记，所以，我们需要自己通知对面，我们的通信开始了。当然，您可以自己设置自己的一套起始动作。来确保通信的有效性。

UDP同步服务器

#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/io_context.hpp>
#include <boost/asio/ip/udp.hpp>
#include <chrono>
#include <exception>
#include <format>
#include <print>
using namespace std::chrono;using my_time_t = std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock,std::chrono::nanoseconds>;
static inline std::string __make_format_date(const year_month_day& ymd,const hh_mm_ss<minutes>& time) {return std::format("{}-{:02}-{:02} {:02}:{:02}",static_cast<int>(ymd.year()),static_cast<unsigned>(ymd.month()),static_cast<unsigned>(ymd.day()),time.hours().count(),time.minutes().count());
}
std::string
current_time() {using namespace std;using namespace std::chrono;const my_time_t raw_time = std::chrono::system_clock::now();auto now = floor<minutes>(raw_time);auto days_part = floor<days>(now);year_month_day ymd = year_month_day { days_part };auto time_since_midnight = now - days_part;hh_mm_ss time { time_since_midnight };return __make_format_date(ymd, time);
}
using boost::asio::ip::udp;int main() {try {boost::asio::io_context io_context;udp::socket socket(io_context, udp::endpoint(udp::v4(), 13));for (;;) {std::array<char, 1> recv_buf;udp::endpoint remote_endpoint;socket.receive_from(boost::asio::buffer(recv_buf), remote_endpoint);std::string message = current_time();boost::system::error_code ignored_error;socket.send_to(boost::asio::buffer(message),remote_endpoint, 0, ignored_error);}} catch (const std::exception& e) {std::println("Exception occurs: {}", e.what());}
}

​ 作为对称，我们在一个循环中，只是监听潜在道来的包remote_endpoint，这里没做校验，我们也不关心如何处理后续的远程UDP通信节点。因此这里只是一个占位符而已。

​ 之后，我们粗暴的将信息直接丢给我们的客户端。

​ 完成上述的代码编写之后

[charliechen@Charliechen build]$ sudo ./server 
[sudo] password for charliechen: 

[charliechen@Charliechen build]$ ./client 127.0.0.1
receive: 2025-06-08 12:48
[charliechen@Charliechen build]$ 

​ 可以看到完成了一次经典的UDP通信了。

UDP异步服务器

#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/io_context.hpp>
#include <boost/asio/ip/udp.hpp>
#include <chrono>
#include <cstddef>
#include <exception>
#include <format>
#include <print>using boost::asio::ip::udp;using namespace std::chrono;using my_time_t = std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock,std::chrono::nanoseconds>;
static inline std::string __make_format_date(const year_month_day& ymd,const hh_mm_ss<minutes>& time) {return std::format("{}-{:02}-{:02} {:02}:{:02}",static_cast<int>(ymd.year()),static_cast<unsigned>(ymd.month()),static_cast<unsigned>(ymd.day()),time.hours().count(),time.minutes().count());
}
std::string
current_time() {using namespace std;using namespace std::chrono;const my_time_t raw_time = std::chrono::system_clock::now();auto now = floor<minutes>(raw_time);auto days_part = floor<days>(now);year_month_day ymd = year_month_day { days_part };auto time_since_midnight = now - days_part;hh_mm_ss time { time_since_midnight };return __make_format_date(ymd, time);
}class udp_server {
public:udp_server(): socket(io_context, udp::endpoint(udp::v4(), 13)) {process_receive();}void run() {io_context.run();}private:void process_receive() {std::array<char, 1> recv_buffer;socket.async_receive_from(boost::asio::buffer(recv_buffer),remote_endpoint,[this](const boost::system::error_code& error, size_t bytes) {if (error) {return;}std::shared_ptr<std::string> message(new std::string(current_time()));socket.async_send_to(boost::asio::buffer(*message), remote_endpoint,[this, message](const boost::system::error_code&, std::size_t cnt) {std::println("Process message {}, bytes cnt: {}", *message, cnt);});process_receive();});;}boost::asio::io_context io_context;udp::socket socket;udp::endpoint remote_endpoint;
};int main() {try {udp_server server;server.run();} catch (const std::exception& e) {std::println("Exception occurs: {}", e.what());}
}

​ 这里的步骤跟我们之前做

1. 启动 UDP 服务器。
2. 通过 async_receive_from() 等待客户端请求。
3. 收到请求后：
   1. 构造时间字符串；
   2. 异步发送给客户端；
   3. 打印日志；
   4. 继续监听其他请求。
4. 主线程通过 run() 阻塞等待事件处理。

​ 我们简单的抽象一下上面的代码：

class udp_server {
public:udp_server(): socket(io_context, udp::endpoint(udp::v4(), 13)){process_receive();}void run() {io_context.run();}private:void process_receive() { /* ... */ }boost::asio::io_context io_context;udp::socket socket;udp::endpoint remote_endpoint;
};

• io_context：事件循环核心。
• socket：绑定到 UDP 端口 13，用于接收和发送数据。
• remote_endpoint：用于记录客户端的地址与端口，便于回传消息。

---

构造函数：初始化与接收启动

udp_server(): socket(io_context, udp::endpoint(udp::v4(), 13))
{process_receive();
}

• 创建一个监听 UDP 13 端口的 socket；
• 启动异步接收过程，等待客户端发送数据。

---

🔁 process_receive() 方法详解

void process_receive() {std::array<char, 1> recv_buffer;socket.async_receive_from(boost::asio::buffer(recv_buffer),remote_endpoint,[this](auto& error, std::size_t bytes) {if (error) return;// 收到客户端消息后准备发送响应auto message = std::make_shared<std::string>(current_time());socket.async_send_to(boost::asio::buffer(*message),remote_endpoint,[this, message](auto& /*ec*/, std::size_t cnt) {std::println("Process message {}, bytes cnt: {}", *message, cnt);});// 再次启动接收process_receive();});
}

• recv_buffer：申请 1 字节的接收缓冲；通常客户端只需触发一次接收，所以大小设置为 1 即可。
• async_receive_from 异步接收调用，完成后由 lambda 处理：
  • 若无错误，生成当前时间的字符串并包装成 shared_ptr，确保其在异步发送期间有效。
  • 调用 async_send_to 向先前的 remote_endpoint 回应时间信息；
  • 回调中打印发送的内容与字节数；
  • 最后重新调用 process_receive()，保持服务器持续接收能力。

⚠️ 每次接收成功后都会递归启动下一次接收，确保可持续处理多个客户端请求。

---

⏱️ 运行方法

void run() {io_context.run();
}

这一调用在主线程中启动异步事件循环，直到没有待处理的操作为止（本例会一直运行，因为持续触发 process_receive()）。