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Boost 库教程（四）：Boost 与现代 C++（协程、SSL、Beast），旨在帮助您利用 Boost 的强大功能结合现代 C++ 特性（特别是 C++20 协程）开发高级网络应用，重点实现安全

网友: 技术文档 2025-09-03 11:32:57

Boost 库教程（四）：Boost 与现代 C++（协程、SSL、Beast），旨在帮助您利用 Boost 的强大功能结合现代 C++ 特性（特别是 C++20 协程）开发高级网络应用，重点实现安全的 TCP 服务器（使用 SSL/TLS）、HTTP 服务器（使用 Boost.Beast）以及协程驱动的异步编程。提供完整的代码示例、编译命令（包括 OpenSSL 配置）、测试方法和 Visual Studio 2022 的 64 位调试版配置，确保您能快速上手。内容以中文呈现，结构清晰，适合中高级开发者，特别针对您的 TCP/UDP 调试工具需求优化。

C++ Boost 库教程（四）：Boost 与现代 C++（协程、SSL、Beast）

0. 写在前面的话

现代 C++（C++11/14/17/20）为开发者提供了更简洁、高效的编程方式，如智能指针、lambda 表达式、范围 for 循环和 C++20 的协程。Boost 库与现代 C++ 无缝集成，其 Boost.Asio 支持 C++20 协程实现异步编程，Boost.Beast 提供 HTTP/WebSocket 协议支持，结合 SSL/TLS 加密（通过 OpenSSL）可构建安全的高性能网络应用。这些特性非常适合您的 TCP/UDP 调试工具，尤其是需要加密通信或 HTTP 接口的场景。

在本教程中，我们将：

  • 介绍 Boost.Asio 的 C++20 协程支持，简化异步编程。

  • 实现安全的 TCP 服务器，使用 SSL/TLS 加密通信。

  • 使用 Boost.Beast 构建简单的 HTTP 服务器，处理 GET 请求。

  • 集成 Boost.Log 记录详细日志，方便调试。

  • 配置 OpenSSL 环境以支持 SSL/TLS。

  • 提供 Visual Studio 2022 的 64 位调试版配置和编译命令。

  • 附带测试方法和常见问题解答。

结合您的问题（开发 TCP/UDP 调试工具，需 Boost.System 和 Boost.Log），本教程将优化代码以匹配您的需求，提供安全的网络通信和 HTTP 接口示例。若您仍未生成所需的 Boost 库，我会在文末提供针对性解决方案。

1. Boost 与现代 C++ 简介

1.1 现代 C++ 的关键特性

  • C++20 协程：通过 co_await 和 co_return 实现异步编程，简化回调嵌套。

  • 智能指针：std::shared_ptr、std::unique_ptr（源于 Boost.SmartPtr）。

  • lambda 表达式：简洁的匿名函数，适合异步回调。

  • 范围 for 循环：简化容器迭代。

  • 概念（Concepts）：约束模板参数，增强类型安全。

1.2 Boost 的现代 C++ 支持

  1. Boost.Asio：

    • 支持 C++20 协程，通过 co_await 实现直观的异步操作。

    • 提供 asio::use_awaitable 完成处理器，简化异步读写。

    • 支持 SSL/TLS（依赖 OpenSSL），实现安全通信。

  2. Boost.Beast：

    • 基于 Boost.Asio，提供 HTTP 和 WebSocket 协议支持。

    • 支持现代 C++ 特性，如 std::string_view 和 lambda。

  3. Boost.Log：

    • 支持线程安全和异步日志，结合 C++20 的格式化库（如 std::format）可进一步优化。

1.3 与您的问题相关

  • Boost.System：libboost_system-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib 是 Boost.Asio 和 Boost.Beast 的依赖。

  • Boost.Log：libboost_log-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib 用于记录网络事件。

  • OpenSSL：SSL/TLS 加密需要 OpenSSL 库（如 libcrypto.lib 和 libssl.lib）。

  • 本教程将使用 64 位调试版静态库，并提供 OpenSSL 配置步骤。

2. 配置 OpenSSL 环境

SSL/TLS 功能需要 OpenSSL 库。以下是 Windows 下的配置步骤：

  1. 下载 OpenSSL：

    • 从官方源下载预编译的 64 位 OpenSSL（如 3.3.x）：https://slproweb.com/products/Win32OpenSSL.html

    • 或通过 vcpkg 安装：

      bash

      .\\vcpkg install openssl:x64-windows-static

    • 安装到 C:\\OpenSSL-Win64。

  2. 验证 OpenSSL：

    • 确认 C:\\OpenSSL-Win64 包含：

      • include\\openssl（头文件）

      • lib\\libcrypto.lib 和 lib\\libssl.lib（静态库）

  3. 设置环境：

    • 将 C:\\OpenSSL-Win64\\bin 添加到 PATH（可选，运行时需要）：

      bash

      set PATH=%PATH%;C:\\OpenSSL-Win64\\bin

  4. 生成证书（用于测试）：

    • 在命令提示符中运行：

      bash

      openssl req -x509 -newkey rsa:2048 -days 365 -nodes -out server.crt -keyout server.key -subj \"/CN=localhost\"openssl req -x509 -newkey rsa:2048 -days 365 -nodes -out ca.crt -keyout ca.key -subj \"/CN=localhost\"

    • 将 server.crt、server.key 和 ca.crt 放入项目目录。

3. 安全的 TCP 服务器（SSL/TLS + 协程）

3.1 功能

  • 使用 Boost.Asio 和 C++20 协程实现异步 TCP 服务器。

  • 通过 SSL/TLS 加密通信，确保数据安全。

  • 使用 Boost.Log 记录连接、消息和错误。

  • 支持多客户端并发，异步读写。

3.2 代码：ssl_tcp_server.cpp

cpp

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include namespace asio = boost::asio;namespace ssl = asio::ssl;namespace logging = boost::log;namespace sinks = boost::log::sinks;namespace keywords = boost::log::keywords;namespace expr = boost::log::expressions;namespace attrs = boost::log::attributes;using tcp = asio::ip::tcp;using ssl_socket = ssl::stream;void init_logging() { logging::add_common_attributes(); logging::core::get()->add_global_attribute(\"ThreadID\", attrs::current_thread_id()); auto fmt = expr::stream << \"[\" << expr::format_date_time(\"TimeStamp\", \"%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f\") << \"]\" << \"[\" << expr::attr(\"ThreadID\") << \"]\" << \"[\" << logging::trivial::severity << \"]: \" << expr::smessage; typedef sinks::asynchronous_sink file_sink; auto file_sink_ptr = boost::make_shared( keywords::file_name = \"ssl_tcp_server_%Y%m%d_%N.log\", keywords::rotation_size = 10 * 1024 * 1024, keywords::time_based_rotation = sinks::file::rotation_at_time_point(0, 0, 0) ); file_sink_ptr->set_formatter(fmt); file_sink_ptr->set_filter(logging::trivial::severity >= logging::trivial::info); logging::core::get()->add_sink(file_sink_ptr);}asio::awaitable handle_session(std::shared_ptr socket) { try { co_await socket->async_handshake(ssl::stream_base::server, asio::use_awaitable); BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << \"SSL handshake with \" <lowest_layer().remote_endpoint(); std::array buffer; while (true) { size_t len = co_await socket->async_read_some(asio::buffer(buffer), asio::use_awaitable); std::string message(buffer.data(), len); BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << \"Received: \" <async_write_some(asio::buffer(response), asio::use_awaitable); BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << \"Sent: \" << response; } } catch (const std::exception& e) { BOOST_LOG_TRIVIAL(error) << \"Session error: \" << e.what(); }}asio::awaitable start_server(asio::io_context& io_context, unsigned short port) { ssl::context ssl_context(ssl::context::tlsv13_server); ssl_context.set_options(ssl::context::default_workarounds | ssl::context::no_sslv2 | ssl::context::single_dh_use); ssl_context.use_certificate_chain_file(\"server.crt\"); ssl_context.use_private_key_file(\"server.key\", ssl::context::pem); tcp::acceptor acceptor(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)); BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << \"SSL TCP server started on port \" << port; while (true) { auto socket = std::make_shared(io_context, ssl_context); co_await acceptor.async_accept(socket->lowest_layer(), asio::use_awaitable); BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << \"Accepted connection from \" <lowest_layer().remote_endpoint(); asio::co_spawn(io_context, handle_session(socket), asio::detached); }}int main() { try { init_logging(); asio::io_context io_context; asio::co_spawn(io_context, start_server(io_context, 8888), asio::detached); io_context.run(); } catch (const std::exception& e) { BOOST_LOG_TRIVIAL(error) << \"Main exception: \" << e.what(); } return 0;}

3.3 代码解析

  • 协程：使用 co_await 简化异步读写和 SSL 握手，代码更直观。

  • SSL/TLS：通过 ssl::context 配置 TLS 1.3，加载证书和私钥。

  • 日志：异步日志记录连接、握手和消息，格式化输出时间戳、线程 ID 和级别。

  • 多客户端：每个连接通过 co_spawn 创建独立协程处理。

3.4 编译与运行

  1. 编译环境：

    • 确保使用“VS 2022 的 x64 本机工具命令提示符”：

      bash

      cl

      • 输出：Microsoft (R) C/C++ Optimizing Compiler Version 19.43.34808 for x64.

    • 确保 Boost 1.88.0 已编译，C:\\boost_1_88_0\\stage\\lib 包含：

      • libboost_system-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib

      • libboost_log-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib

      • libboost_thread-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib

      • libboost_date_time-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib

      • libboost_filesystem-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib

      • libboost_regex-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib

    • 确保 OpenSSL 已安装，C:\\OpenSSL-Win64\\lib 包含 libcrypto.lib 和 libssl.lib.

  2. 编译：

    bash

    cl ssl_tcp_server.cpp /I \"C:\\boost_1_88_0\" /I \"C:\\OpenSSL-Win64\\include\" /link /LIBPATH:\"C:\\boost_1_88_0\\stage\\lib\" /LIBPATH:\"C:\\OpenSSL-Win64\\lib\" libboost_system-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_log-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_thread-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_date_time-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_filesystem-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_regex-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libcrypto.lib libssl.lib /MTd

  3. 运行：

    bash

    .\\ssl_tcp_server.exe

  4. 测试：

    • 使用 OpenSSL 客户端测试：

      bash

      openssl s_client -connect 127.0.0.1:8888 -CAfile ca.crt

    • 输入 Hello，服务器回显 Echo: Hello。

    • 检查 ssl_tcp_server_20250609_000.log：

      [2025-06-09 19:30:00.123456][ThreadID][info]: SSL TCP server started on port 8888[2025-06-09 19:30:05.456789][ThreadID][info]: Accepted connection from 127.0.0.1:12345[2025-06-09 19:30:05.789012][ThreadID][info]: SSL handshake with 127.0.0.1:12345[2025-06-09 19:30:06.012345][ThreadID][info]: Received: Hello[2025-06-09 19:30:06.012346][ThreadID][info]: Sent: Echo: Hello

4. HTTP 服务器（Boost.Beast）

4.1 功能

  • 使用 Boost.Beast 实现简单的 HTTP 1.1 服务器，处理 GET 请求。

  • 返回静态 HTML 页面。

  • 使用 Boost.Log 记录请求和响应。

  • 支持多线程处理并发请求。

4.2 代码：http_server.cpp

cpp

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include namespace beast = boost::beast;namespace http = beast::http;namespace asio = boost::asio;namespace logging = boost::log;namespace sinks = boost::log::sinks;namespace keywords = boost::log::keywords;namespace expr = boost::log::expressions;namespace attrs = boost::log::attributes;using tcp = asio::ip::tcp;void init_logging() { logging::add_common_attributes(); logging::core::get()->add_global_attribute(\"ThreadID\", attrs::current_thread_id()); auto fmt = expr::stream << \"[\" << expr::format_date_time(\"TimeStamp\", \"%Y-%m-%d %H:%M:%S.%f\") << \"]\" << \"[\" << expr::attr(\"ThreadID\") << \"]\" << \"[\" << logging::trivial::severity << \"]: \" << expr::smessage; typedef sinks::asynchronous_sink file_sink; auto file_sink_ptr = boost::make_shared( keywords::file_name = \"http_server_%Y%m%d_%N.log\", keywords::rotation_size = 10 * 1024 * 1024, keywords::time_based_rotation = sinks::file::rotation_at_time_point(0, 0, 0) ); file_sink_ptr->set_formatter(fmt); file_sink_ptr->set_filter(logging::trivial::severity >= logging::trivial::info); logging::core::get()->add_sink(file_sink_ptr);}void handle_request(http::request&& req, tcp::socket& socket) { BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << \"Received \" << req.method_string() << \" request for \" << req.target(); http::response res{http::status::ok, req.version()}; res.set(http::field::server, \"Boost.Beast\"); res.set(http::field::content_type, \"text/html\"); res.body() = \"
Hello from Boost.Beast!
\"; res.prepare_payload(); beast::write(socket, res); BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << \"Sent response: \" << res.result();}void accept_connection(tcp::acceptor& acceptor, asio::io_context& io_context) { acceptor.async_accept( [&acceptor, &io_context](beast::error_code ec, tcp::socket socket) { if (!ec) { BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << \"Accepted connection from \" << socket.remote_endpoint(); std::thread(  [&socket, &io_context]() mutable { try { beast::flat_buffer buffer; http::request req; http::read(socket, buffer, req); handle_request(std::move(req), socket); } catch (const std::exception& e) { BOOST_LOG_TRIVIAL(error) << \"Request error: \" << e.what(); }  }).detach(); } else { BOOST_LOG_TRIVIAL(error) << \"Accept error: \" << ec.message(); } accept_connection(acceptor, io_context); });}int main() { try { init_logging(); asio::io_context io_context{1}; tcp::acceptor acceptor(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), 8080)); BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << \"HTTP server started on port 8080\"; accept_connection(acceptor, io_context); io_context.run(); } catch (const std::exception& e) { BOOST_LOG_TRIVIAL(error) << \"Main exception: \" << e.what(); } return 0;}

4.3 代码解析

  • Boost.Beast：处理 HTTP 协议，解析请求并生成响应。

  • 多线程：每个请求在新线程中处理，支持并发。

  • 日志：记录请求方法、目标 URL 和响应状态。

  • 简单响应：返回静态 HTML 页面。

4.4 编译与运行

  1. 编译：

    bash

    cl http_server.cpp /I \"C:\\boost_1_88_0\" /link /LIBPATH:\"C:\\boost_1_88_0\\stage\\lib\" libboost_system-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_log-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_thread-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_date_time-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_filesystem-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib libboost_regex-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib /MTd

  2. 运行：

    bash

    .\\http_server.exe

  3. 测试：

    • 打开浏览器，访问 http://localhost:8080，显示“Hello from Boost.Beast!”。

    • 或使用 curl：

      bash

      curl http://localhost:8080

    • 检查 http_server_20250609_000.log：

      [2025-06-09 19:35:00.123456][ThreadID][info]: HTTP server started on port 8080[2025-06-09 19:35:05.456789][ThreadID][info]: Accepted connection from 127.0.0.1:12345[2025-06-09 19:35:05.789012][ThreadID][info]: Received GET request for /[2025-06-09 19:35:05.789013][ThreadID][info]: Sent response: 200

5. Visual Studio 项目配置

  1. 创建项目：

    • 在 Visual Studio 2022 创建“空项目（C++）”，命名为 ModernCppDemo。

    • 设置平台为 x64。

  2. 添加源文件：

    • 添加 ssl_tcp_server.cpp 和 http_server.cpp。

  3. 设置包含路径：

    • 项目属性 > C/C++ > 常规 > 附加包含目录：

      C:\\boost_1_88_0C:\\OpenSSL-Win64\\include (仅 ssl_tcp_server.cpp 需要)

  4. 设置库路径：

    • 项目属性 > 链接器 > 常规 > 附加库目录：

      C:\\boost_1_88_0\\stage\\libC:\\OpenSSL-Win64\\lib (仅 ssl_tcp_server.cpp 需要)

  5. 设置运行时库：

    • 项目属性 > C/C++ > 代码生成 > 运行时库：

      • 调试模式：/MTd。

  6. 添加依赖库：

    • 项目属性 > 链接器 > 输入 > 附加依赖项：

      • 对于 ssl_tcp_server.cpp：

        libboost_system-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_log-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_thread-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_date_time-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_filesystem-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_regex-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibcrypto.liblibssl.lib

      • 对于 http_server.cpp：

        libboost_system-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_log-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_thread-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_date_time-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_filesystem-vc143-mt-gd-x64-1_88.liblibboost_regex-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib

  7. 预处理器定义：

    • 项目属性 > C/C++ > 预处理器 > 预处理器定义：

      BOOST_LOG_DYN_LINK=0BOOST_ALL_NO_LIB=0

  8. 启用 C++20：

    • 项目属性 > C/C++ > 语言 > C++ 语言标准：/std:c++20（协程需要）。

  9. 编译与运行：

    • 按 F5 运行，或在调试模式下测试。

6. 常见问题与优化建议

6.1 常见问题

  1. 协程编译错误：

    • 确保使用 /std:c++20。

    • 确认 Visual Studio 2022 版本支持 C++20 协程（更新到最新）。

  2. SSL 握手失败：

    • 确认 server.crt 和 server.key 有效：

      bash

      openssl x509 -in server.crt -text -noout

    • 检查客户端是否信任 ca.crt。

  3. Beast 解析错误：

    • 确保请求格式符合 HTTP 1.1。

    • 检查 http::read 的缓冲区大小。

  4. 日志未生成：

    • 确保目录有写权限：

      bash

      icacls . /grant Everyone:F

6.2 优化建议

  1. 协程性能：

    • 使用 asio::strand 避免多线程竞争：

      cpp

      auto strand = asio::make_strand(io_context);co_spawn(strand, handle_session(socket), asio::detached);

  2. SSL 配置：

    • 支持更安全的密码套件：

      cpp

      ssl_context.set_options(ssl::context::no_tlsv1 | ssl::context::no_tlsv1_1);

  3. Beast 增强：

    • 支持 POST 请求：

      cpp

      if (req.method() == http::verb::post) { res.body() = \"Received POST data: \" + req.body();}

    • 添加 WebSocket 支持：

      cpp

      #include

  4. 多线程：

    • 为 io_context 添加多线程：

      cpp

      std::vector threads;for (int i = 0; i < std::thread::hardware_concurrency(); ++i) { threads.emplace_back([&io_context] { io_context.run(); });}for (auto& t : threads) t.join();

7. 若 Boost 库仍未编译成功的解决方法

您提到仍在 x86 编译器环境，未能生成 libboost_system-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib 和 libboost_log-vc143-mt-gd-x64-1_88.lib。以下是精简排查步骤：

  1. 确认 x64 环境：

    • 运行：

      bash

      \"C:\\Program Files (x86)\\Microsoft Visual Studio\\2022\\Community\\VC\\Auxiliary\\Build\\vcvars64.bat\"cl

      • 确保输出为 for x64。若仍为 x86：

        • 打开 Visual Studio Installer，确认“C++ 桌面开发”包含 x64 工具。

        • 重新安装 Visual Studio。

  2. 重新编译 Boost：

    • 清理：

      bash

      cd C:\\boost_1_88_0rmdir /S /Q stagermdir /S /Q bin.v2

    • 运行：

      bash

      bootstrap.bat.\\b2.exe --toolset=msvc-14.3 address-model=64 architecture=x86 link=static threading=multi runtime-link=static variant=debug --with-system --with-log --with-thread --with-date_time --with-filesystem --with-regex stage > build_log.log 2>&1

    • 检查 C:\\boost_1_88_0\\stage\\lib。

  3. 检查日志：

    • 打开 build_log.log，搜索 error 或 failed：

      • C1083：头文件缺失，重新下载 Boost 1.88.0。

      • LINK error：缺少依赖，确认 --with-regex。

      • x86 环境：重新运行 vcvars64.bat。

  4. 使用 vcpkg：

    • 安装：

      bash

      git clone https://github.com/microsoft/vcpkgcd vcpkg.\\bootstrap-vcpkg.bat

    • 安装 Boost：

      bash

      .\\vcpkg install boost-system:x64-windows-static boost-log:x64-windows-static boost-beast:x64-windows-static

    • 集成：

      bash

      .\\vcpkg integrate install

8. 总结

本教程展示了 Boost 与现代 C++ 的结合，通过 C++20 协程实现异步 SSL TCP 服务器，使用 Boost.Beast 构建 HTTP 服务器，并集成 Boost.Log 提供详细日志。代码针对 64 位调试版静态库优化，提供了 OpenSSL 配置和测试步骤，适合您的 TCP/UDP 调试工具开发。

后续教程预告：

  • 教程（五）：Boost 单元测试与调试技巧。

  • 教程（六）：Boost 跨平台开发与性能优化。

请提供以下信息以解决编译问题：

  • 运行 cl 的最新输出（确认 x64）。

  • build_log.log 的关键错误。

  • C:\\boost_1_88_0\\stage\\lib 的文件列表。

  • Visual Studio 版本和安装路径。

祝您 Boost 开发顺利，打造强大的网络应用！

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