第 19.1 節

Boost.Asio異步IO庫

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本章面向機器人、ROS2、下位機串口、TCP/UDP 通信學習。
本教程刻意採用 std::bind，暫時不使用 lambda，方便初學者先把“回調函數、佔位符、成員函數綁定、異步執行順序”看清楚。

本套教程的章節順序

建議學習順序如下：

ch19-1-Boost.Asio异步IO库.md
ch19-1-1-定时器与异步IO.md
ch19-1-2-Boost.Asio基础.md
ch19-1-3-串口通信.md
ch19-1-4-TCP通信.md
ch19-1-5-UDP通信.md
ch19-1-6-机器人工程写法与ROS2集成.md

我把“定時器”提前，是因為定時器不依賴串口硬件、不依賴網絡對端，最適合看清楚：

  1. io_context.run() 為什麼會阻塞；
  2. async_wait() 為什麼不是立刻執行回調；
  3. 一個 timer 和兩個 timer 的區別；
  4. 回調函數到底在哪個線程裡執行；
  5. std::bind 裡的 _1、this、&Class::func 到底什麼意思。

本套教程統一約定

統一使用標準庫寫法

本教程儘量使用標準庫：

#include <chrono>
#include <functional>
#include <memory>
#include <thread>
#include <string>

例如定時器時間統一寫：

std::chrono::seconds(1)
std::chrono::milliseconds(100)

而不是優先寫：

boost::asio::chrono::seconds(1)

回調統一使用 std::bind

本教程裡異步回調儘量寫成：

timer.async_wait(std::bind(on_timer, std::placeholders::_1));

成員函數回調寫成：

timer_.async_wait(std::bind(&Printer::on_timer, this, std::placeholders::_1));

讀寫回調有兩個參數時寫成：

socket.async_read_some(
    boost::asio::buffer(data_),
    std::bind(&Session::on_read,
              this,
              std::placeholders::_1,
              std::placeholders::_2));

其中：

std::placeholders::_1
std::placeholders::_2

表示“異步操作完成時，Boost.Asio 自動傳給回調函數的第 1 個、第 2 個參數”。

錯誤碼仍然使用 Boost.Asio 的類型

這個不要亂換：

const boost::system::error_code& ec

原因是 Boost.Asio 的異步回調默認把錯誤傳給 boost::system::error_code。以後如果你換 standalone Asio 或者標準網絡庫，再考慮對應類型。

Boost.Asio 的核心思想

Boost.Asio 可以先粗暴理解成：

io_context = 事件循环 / 调度器
socket / serial_port / timer = IO对象
async_xxx() = 注册一个异步任务
handler = 异步任务完成后执行的回调函数
run() = 开始处理异步任务和回调函数

最小異步程序大概長這樣：

boost::asio::io_context io;
boost::asio::steady_timer timer(io, std::chrono::seconds(2));

timer.async_wait(std::bind(on_timer, std::placeholders::_1));

io.run();

執行邏輯不是：

async_wait 立刻执行 on_timer

而是：

async_wait 注册任务
io.run() 进入事件循环
等待 2 秒
timer 到期
io.run() 调用 on_timer
没有任务了
io.run() 返回

編譯環境

Ubuntu / Debian

sudo apt update
sudo apt install libboost-all-dev g++ cmake

Fedora

sudo dnf install boost-devel gcc-c++ cmake

單文件編譯命令

很多示例可以直接這樣編譯：

g++ demo.cpp -o demo -std=c++17 -lboost_system -pthread

如果你的 Boost 版本較新，某些 Linux 發行版上也許不需要顯式鏈接 -lboost_system，但初學階段建議先帶上，減少環境差異。

推薦 CMake 模板

cmake_minimum_required(VERSION 3.16)
project(asio_demo)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

find_package(Boost REQUIRED COMPONENTS system)

add_executable(demo demo.cpp)
target_link_libraries(demo PRIVATE Boost::system pthread)

為什麼先學定時器

機器人通信裡最容易出問題的不是“API 會不會調用”，而是：

  1. 回調什麼時候執行；
  2. 回調在哪個線程執行；
  3. 對象什麼時候析構；
  4. buffer 數據什麼時候還能用；
  5. run() 為什麼卡住；
  6. run() 為什麼又會提前返回；
  7. 多線程時為什麼會數據競爭。

這些問題都可以先用定時器看懂。定時器看懂之後，串口、TCP、UDP 本質上只是“等待的事件不同”：

timer 等待时间到期
serial_port 等待串口可读 / 可写
tcp::socket 等待网络可读 / 可写 / 连接完成
udp::socket 等待收到一个数据报

學完這套教程應該達到什麼程度

學完之後，你應該能做到：

  1. 看懂 Boost.Asio 官方 timer / TCP / UDP 教程；
  2. 能用 std::bind 寫普通函數回調、成員函數回調；
  3. 能解釋 io_context.run() 的阻塞和返回條件；
  4. 能寫串口異步讀取下位機數據；
  5. 能寫 TCP client / server；
  6. 能寫 UDP sender / receiver / echo server；
  7. 能把 Asio 通信模塊封裝成一個類；
  8. 能把通信模塊接進 ROS2 節點，而不是在 ROS2 回調裡寫阻塞死循環。

你現在最需要記住的 5 句話

  1. async_xxx() 只是註冊異步任務，不是立刻執行回調。
  2. io_context.run() 才是真正驅動異步任務執行的地方。
  3. 回調函數只會在正在執行 io_context.run() 的線程裡被調用。
  4. 異步 buffer、socket、timer 對象必須活到回調執行完。
  5. 類裡綁定成員函數時，寫 std::bind(&Class::func, this, _1, _2)。
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