一、序言?
Golang的主要 設(shè)計目標(biāo)之一就是面向大規(guī)模后端服務(wù)程序，網(wǎng)絡(luò)通信這塊是服務(wù)端 程序必不可少也是至關(guān)重要的一部分。在日常應(yīng)用中，我們也可以看到Go中的net以及其subdirectories下的包均是“高頻+剛需”，而TCP socket則是網(wǎng)絡(luò)編程的主流，即便您沒有直接使用到net中有關(guān)TCP Socket方面的接口，但net/http總是用到了吧，http底層依舊是用tcp socket實現(xiàn)的

網(wǎng)絡(luò)編程方面，我們最常用的就是tcp socket編程了，在posix標(biāo)準(zhǔn)出來后，socket在各大主流OS平臺上都得到了很好的支持。關(guān)于tcp programming，最好的資料莫過于W. Richard Stevens 的網(wǎng)絡(luò)編程圣經(jīng)《UNIX網(wǎng)絡(luò) 編程 卷1：套接字聯(lián)網(wǎng)API》 了，書中關(guān)于tcp socket接口的各種使用、行為模式、異常處理講解的十分細(xì)致。Go是自帶runtime的跨平臺編程語言，Go中暴露給語言使用者的tcp socket api是建立OS原生tcp socket接口之上的。由于Go runtime調(diào)度的需要，golang tcp socket接口在行為特點與異常處理方面與OS原生接口有著一些差別。這篇博文的目標(biāo)就是整理出關(guān)于Go tcp socket在各個場景下的使用方法、行為特點以及注意事項

二、模型

從tcp socket誕生后，網(wǎng)絡(luò)編程架構(gòu)模型也幾經(jīng)演化，大致是：“每進程一個連接” –> “每線程一個連接” –> “Non-Block + I/O多路復(fù)用(Linux?epoll/windows iocp/freebsd darwin kqueue/solaris Event Port)”。伴隨著模型的演化，服務(wù)程序愈加強大，可以支持更多的連接，獲得更好的處理性能

目前主流web server一般均采用的都是”Non-Block + I/O多路復(fù)用”（有的也結(jié)合了多線程、多進程）。不過I/O多路復(fù)用也給使用者帶來了不小的復(fù)雜度，以至于后續(xù)出現(xiàn)了許多高性能的I/O多路復(fù)用框架， 比如libevent、libev、libuv等，以幫助開發(fā)者簡化開發(fā)復(fù)雜性，降低心智負(fù)擔(dān)。不過Go的設(shè)計者似乎認(rèn)為I/O多路復(fù)用的這種通過回調(diào)機制割裂控制流 的方式依舊復(fù)雜，且有悖于“一般邏輯”設(shè)計，為此Go語言將該“復(fù)雜性”隱藏在Runtime中了：Go開發(fā)者無需關(guān)注socket是否是 non-block的，也無需親自注冊文件描述符的回調(diào)，只需在每個連接對應(yīng)的goroutine中以“block I/O”的方式對待socket處理即可，這可以說大大降低了開發(fā)人員的心智負(fù)擔(dān)。一個典型的Go server端程序大致如下

//go-tcpsock/server.go func HandleConn(conn net.Conn) {defer conn.Close()for {// read from the connection// ... ...// write to the connection//... ...} }func main() {listen, err := net.Listen("tcp", ":8888")if err != nil {fmt.Println("listen error: ", err)return}for {conn, err := listen.Accept()if err != nil {fmt.Println("accept error: ", err)break}// start a new goroutine to handle the new connectiongo HandleConn(conn)} }

• ?

用戶層眼中看到的goroutine中的“block socket”，實際上是通過Go runtime中的netpoller通過Non-block socket + I/O多路復(fù)用機制“模擬”出來的，真實的underlying socket實際上是non-block的，只是runtime攔截了底層socket系統(tǒng)調(diào)用的錯誤碼，并通過netpoller和goroutine 調(diào)度讓goroutine“阻塞”在用戶層得到的Socket fd上。比如：當(dāng)用戶層針對某個socket fd發(fā)起read操作時，如果該socket fd中尚無數(shù)據(jù)，那么runtime會將該socket fd加入到netpoller中監(jiān)聽，同時對應(yīng)的goroutine被掛起，直到runtime收到socket fd 數(shù)據(jù)ready的通知，runtime才會重新喚醒等待在該socket fd上準(zhǔn)備read的那個Goroutine。而這個過程從Goroutine的視角來看，就像是read操作一直block在那個socket fd上似的。具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)在后續(xù)場景中會有補充描述

三、TCP連接的建立

眾所周知，TCP Socket的連接的建立需要經(jīng)歷客戶端和服務(wù)端的三次握手的過程。連接建立過程中，服務(wù)端是一個標(biāo)準(zhǔn)的Listen + Accept的結(jié)構(gòu)(可參考上面的代碼)，而在客戶端Go語言使用net.Dial()或net.DialTimeout()進行連接建立

阻塞Dial：

conn, err := net.Dial("tcp", "www.baidu.com:80")if err != nil {//handle error}//read or write on conn

• ?

超時機制的Dial：

conn, err := net.DialTimeout("tcp", "www.baidu.com:80", 2*time.Second)if err != nil {//handle error}//read or write on conn

• ?

對于客戶端而言，連接的建立會遇到如下幾種情形：

1、網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)或?qū)Ψ椒?wù)未啟動?
如果傳給Dial的Addr是可以立即判斷出網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)，或者Addr中端口對應(yīng)的服務(wù)沒有啟動，端口未被監(jiān)聽，Dial會幾乎立即返回錯誤，比如：

//go-tcpsock/conn_establish/client1.go ... ... func main() {log.Println("begin dial...")conn, err := net.Dial("tcp", ":8888")if err != nil {log.Println("dial error:", err)return}defer conn.Close()log.Println("dial ok") }

• ?

如果本機8888端口未有服務(wù)程序監(jiān)聽，那么執(zhí)行上面程序，Dial會很快返回錯誤：

$go run client1.go 2015/11/16 14:37:41 begin dial... 2015/11/16 14:37:41 dial error: dial tcp :8888: getsockopt: connection refused

• ?

2、對方服務(wù)的listen backlog滿?
還有一種場景就是對方服務(wù)器很忙，瞬間有大量client端連接嘗試向server建立，server端的listen backlog隊列滿，server accept不及時((即便不accept，那么在backlog數(shù)量范疇里面，connect都會是成功的，因為new conn已經(jīng)加入到server side的listen queue中了，accept只是從queue中取出一個conn而已)，這將導(dǎo)致client端Dial阻塞。我們還是通過例子感受Dial的行為特點：?
服務(wù)端代碼：

//go-tcpsock/conn_establish/server2.go ... ... func main() {l, err := net.Listen("tcp", ":8888")if err != nil {log.Println("error listen:", err)return}defer l.Close()log.Println("listen ok")var i intfor {time.Sleep(time.Second * 10)if _, err := l.Accept(); err != nil {log.Println("accept error:", err)break}i++log.Printf("%d: accept a new connection\n", i)} }

• ?

客戶端代碼：

//go-tcpsock/conn_establish/client2.go ... ... func establishConn(i int) net.Conn {conn, err := net.Dial("tcp", ":8888")if err != nil {log.Printf("%d: dial error: %s", i, err)return nil}log.Println(i, ":connect to server ok")return conn }func main() {var sl []net.Connfor i := 1; i < 1000; i++ {conn := establishConn(i)if conn != nil {sl = append(sl, conn)}}time.Sleep(time.Second * 10000) }

• ?

從程序可以看出，服務(wù)端在listen成功后，每隔10s鐘accept一次。客戶端則是串行的嘗試建立連接。這兩個程序在Darwin下的執(zhí)行 結(jié)果：

$go run server2.go 2015/11/16 21:55:41 listen ok 2015/11/16 21:55:51 1: accept a new connection 2015/11/16 21:56:01 2: accept a new connection ... ...$go run client2.go 2015/11/16 21:55:44 1 :connect to server ok 2015/11/16 21:55:44 2 :connect to server ok 2015/11/16 21:55:44 3 :connect to server ok ... ...2015/11/16 21:55:44 126 :connect to server ok 2015/11/16 21:55:44 127 :connect to server ok 2015/11/16 21:55:44 128 :connect to server ok2015/11/16 21:55:52 129 :connect to server ok 2015/11/16 21:56:03 130 :connect to server ok 2015/11/16 21:56:14 131 :connect to server ok ... ...

• ?

可以看出Client初始時成功地一次性建立了128個連接，然后后續(xù)每阻塞近10s才能成功建立一條連接。也就是說在server端 backlog滿時(未及時accept)，客戶端將阻塞在Dial上，直到server端進行一次accept。至于為什么是128，這與darwin 下的默認(rèn)設(shè)置有關(guān)：?
如果我在ubuntu 14.04上運行上述server程序，我們的client端初始可以成功建立499條連接。

如果server一直不accept，client端會一直阻塞么？我們?nèi)サ鬭ccept后的結(jié)果是：在Darwin下，client端會阻塞大 約1分多鐘才會返回timeout：?
而如果server運行在ubuntu 14.04上，client似乎一直阻塞，我等了10多分鐘依舊沒有返回。 阻塞與否看來與server端的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和設(shè)置有關(guān)

3、網(wǎng)絡(luò)延遲較大，Dial阻塞并超時?
如果網(wǎng)絡(luò)延遲較大，TCP握手過程將更加艱難坎坷（各種丟包），時間消耗的自然也會更長。Dial這時會阻塞，如果長時間依舊無法建立連接，則Dial也會返回“ getsockopt: operation timed out”錯誤

在連接建立階段，多數(shù)情況下，Dial是可以滿足需求的，即便阻塞一小會兒。但對于某些程序而言，需要有嚴(yán)格的連接時間限定，如果一定時間內(nèi)沒能成功建立連接，程序可能會需要執(zhí)行一段“異常”處理邏輯，為此我們就需要DialTimeout了。下面的例子將Dial的最長阻塞時間限制在2s內(nèi)，超出這個時長，Dial將返回timeout error：

//go-tcpsock/conn_establish/client3.go ... ... func main() {log.Println("begin dial...")conn, err := net.DialTimeout("tcp", "104.236.176.96:80", 2*time.Second)if err != nil {log.Println("dial error:", err)return}defer conn.Close()log.Println("dial ok") }

• ?

執(zhí)行結(jié)果如下，需要模擬一個網(wǎng)絡(luò)延遲大的環(huán)境

$go run client3.go 2015/11/17 09:28:34 begin dial... 2015/11/17 09:28:36 dial error: dial tcp 104.236.176.96:80: i/o timeout

• ?

四、Socket讀寫

連接建立起來后，我們就要在conn上進行讀寫，以完成業(yè)務(wù)邏輯。前面說過Go runtime隱藏了I/O多路復(fù)用的復(fù)雜性。語言使用者只需采用goroutine+Block I/O的模式即可滿足大部分場景需求。Dial成功后，方法返回一個net.Conn接口類型變量值，這個接口變量的動態(tài)類型為一個*TCPConn：

//$GOROOT/src/net/tcpsock_posix.go type TCPConn struct {conn }

• ?

TCPConn內(nèi)嵌了一個unexported類型：conn，因此TCPConn”繼承”了conn的Read和Write方法，后續(xù)通過Dial返回值調(diào)用的Write和Read方法均是net.conn的方法：

//$GOROOT/src/net/net.go type conn struct {fd *netFD }func (c *conn) ok() bool { return c != nil && c.fd != nil }// Implementation of the Conn interface.// Read implements the Conn Read method. func (c *conn) Read(b []byte) (int, error) {if !c.ok() {return 0, syscall.EINVAL}n, err := c.fd.Read(b)if err != nil && err != io.EOF {err = &OpError{Op: "read", Net: c.fd.net, Source: c.fd.laddr, Addr: c.fd.raddr, Err: err}}return n, err }// Write implements the Conn Write method. func (c *conn) Write(b []byte) (int, error) {if !c.ok() {return 0, syscall.EINVAL}n, err := c.fd.Write(b)if err != nil {err = &OpError{Op: "write", Net: c.fd.net, Source: c.fd.laddr, Addr: c.fd.raddr, Err: err}}return n, err }

• ?

1、conn.Read的行為特點

1.1、Socket中無數(shù)據(jù)?
連接建立后，如果對方未發(fā)送數(shù)據(jù)到socket，接收方(Server)會阻塞在Read操作上，這和前面提到的“模型”原理是一致的。執(zhí)行該Read操作的goroutine也會被掛起。runtime會監(jiān)視該socket，直到其有數(shù)據(jù)才會重新?
調(diào)度該socket對應(yīng)的Goroutine完成read。由于篇幅原因，這里就不列代碼了，例子對應(yīng)的代碼文件：go-tcpsock/read_write下的client1.go和server1.go。

1.2、Socket中有部分?jǐn)?shù)據(jù)?
如果socket中有部分?jǐn)?shù)據(jù)，且長度小于一次Read操作所期望讀出的數(shù)據(jù)長度，那么Read將會成功讀出這部分?jǐn)?shù)據(jù)并返回，而不是等待所有期望數(shù)據(jù)全部讀取后再返回。

1.3、Socket中有足夠數(shù)據(jù)?
如果socket中有數(shù)據(jù)，且長度大于等于一次Read操作所期望讀出的數(shù)據(jù)長度，那么Read將會成功讀出這部分?jǐn)?shù)據(jù)并返回。這個情景是最符合我們對Read的期待的了：Read將用Socket中的數(shù)據(jù)將我們傳入的slice填滿后返回：n = 10, err = nil

1.4、Socket關(guān)閉?
如果client端主動關(guān)閉了socket，那么Server的Read將會讀到什么呢？?
這里分為“有數(shù)據(jù)關(guān)閉”和“無數(shù)據(jù)關(guān)閉”。

有數(shù)據(jù)關(guān)閉是指在client關(guān)閉時，socket中還有server端未讀取的數(shù)據(jù)。當(dāng)client端close socket退出后，server依舊沒有開始Read，10s后第一次Read成功讀出了所有的數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)诙蜶ead時，由于client端 socket關(guān)閉，Read返回EOF error

無數(shù)據(jù)關(guān)閉情形下的結(jié)果，那就是Read直接返回EOF error

1.5、讀取操作超時?
有些場合對Read的阻塞時間有嚴(yán)格限制，在這種情況下，Read的行為到底是什么樣的呢？在返回超時錯誤時，是否也同時Read了一部分?jǐn)?shù)據(jù)了呢？?
不會出現(xiàn)“讀出部分?jǐn)?shù)據(jù)且返回超時錯誤”的情況

2、conn.Write的行為特點

2.1、成功寫?
前面例子著重于Read，client端在Write時并未判斷Write的返回值。所謂“成功寫”指的就是Write調(diào)用返回的n與預(yù)期要寫入的數(shù)據(jù)長度相等，且error = nil。這是我們在調(diào)用Write時遇到的最常見的情形，這里不再舉例了

2.2、寫阻塞?
TCP連接通信兩端的OS都會為該連接保留數(shù)據(jù)緩沖，一端調(diào)用Write后，實際上數(shù)據(jù)是寫入到OS的協(xié)議棧的數(shù)據(jù)緩沖的。TCP是全雙工通信，因此每個方向都有獨立的數(shù)據(jù)緩沖。當(dāng)發(fā)送方將對方的接收緩沖區(qū)以及自身的發(fā)送緩沖區(qū)寫滿后，Write就會阻塞

2.3、寫入部分?jǐn)?shù)據(jù)?
Write操作存在寫入部分?jǐn)?shù)據(jù)的情況。沒有按照預(yù)期的寫入所有數(shù)據(jù)。這時候循環(huán)寫入便是

綜上例子，雖然Go給我們提供了阻塞I/O的便利，但在調(diào)用Read和Write時依舊要綜合需要方法返回的n和err的結(jié)果，以做出正確處理。net.conn實現(xiàn)了io.Reader和io.Writer接口，因此可以試用一些wrapper包進行socket讀寫，比如bufio包下面的Writer和Reader、io/ioutil下的函數(shù)等

五、Goroutine safe

基于goroutine的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，存在在不同goroutine間共享conn的情況，那么conn的讀寫是否是goroutine safe的呢？在深入這個問題之前，我們先從應(yīng)用意義上來看read操作和write操作的goroutine-safe必要性。

對于read操作而言，由于TCP是面向字節(jié)流，conn.Read無法正確區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的業(yè)務(wù)邊界，因此多個goroutine對同一個conn進行read的意義不大，goroutine讀到不完整的業(yè)務(wù)包反倒是增加了業(yè)務(wù)處理的難度。對與Write操作而言，倒是有多個goroutine并發(fā)寫的情況。

每次Write操作都是受lock保護，直到此次數(shù)據(jù)全部write完。因此在應(yīng)用層面，要想保證多個goroutine在一個conn上write操作的Safe，需要一次write完整寫入一個“業(yè)務(wù)包”；一旦將業(yè)務(wù)包的寫入拆分為多次write，那就無法保證某個Goroutine的某“業(yè)務(wù)包”數(shù)據(jù)在conn發(fā)送的連續(xù)性。

同時也可以看出即便是Read操作，也是lock保護的。多個Goroutine對同一conn的并發(fā)讀不會出現(xiàn)讀出內(nèi)容重疊的情況，但內(nèi)容斷點是依 runtime調(diào)度來隨機確定的。存在一個業(yè)務(wù)包數(shù)據(jù)，1/3內(nèi)容被goroutine-1讀走，另外2/3被另外一個goroutine-2讀 走的情況。比如一個完整包：world，當(dāng)goroutine的read slice size < 5時，存在可能：一個goroutine讀到 “worl”,另外一個goroutine讀出”d”。

六、Socket屬性?
原生Socket API提供了豐富的sockopt設(shè)置接口，但Golang有自己的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，golang提供的socket options接口也是基于上述模型的必要的屬性設(shè)置。包括?
SetKeepAlive?
SetKeepAlivePeriod?
SetLinger?
SetNoDelay （默認(rèn)no delay）?
SetWriteBuffer?
SetReadBuffer

不過上面的Method是TCPConn的，而不是Conn的，要使用上面的Method的，需要type assertion：

tcpConn, ok := conn.(*TCPConn) if !ok {//error handle }tcpConn.SetNoDelay(true)

• ?

對于listener socket, golang默認(rèn)采用了 SO_REUSEADDR，這樣當(dāng)你重啟 listener程序時，不會因為address in use的錯誤而啟動失敗。而listen backlog的默認(rèn)值是通過獲取系統(tǒng)的設(shè)置值得到的。不同系統(tǒng)不同：mac 128, linux 512等

七、關(guān)閉連接?
和前面的方法相比，關(guān)閉連接算是最簡單的操作了。由于socket是全雙工的，client和server端在己方已關(guān)閉的socket和對方關(guān)閉的socket上操作的結(jié)果有不同。看下面例子：

//go-tcpsock/conn_close/client1.go ... ... func main() {log.Println("begin dial...")conn, err := net.Dial("tcp", ":8888")if err != nil {log.Println("dial error:", err)return}conn.Close()log.Println("close ok")var buf = make([]byte, 32)n, err := conn.Read(buf)if err != nil {log.Println("read error:", err)} else {log.Printf("read % bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))}n, err = conn.Write(buf)if err != nil {log.Println("write error:", err)} else {log.Printf("write % bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))}time.Sleep(time.Second * 1000) }//go-tcpsock/conn_close/server1.go ... ... func handleConn(c net.Conn) {defer c.Close()// read from the connectionvar buf = make([]byte, 10)log.Println("start to read from conn")n, err := c.Read(buf)if err != nil {log.Println("conn read error:", err)} else {log.Printf("read %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))}n, err = c.Write(buf)if err != nil {log.Println("conn write error:", err)} else {log.Printf("write %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))} } ... ...

• ?

執(zhí)行結(jié)果如下

$go run server1.go 2015/11/17 17:00:51 accept a new connection 2015/11/17 17:00:51 start to read from conn 2015/11/17 17:00:51 conn read error: EOF 2015/11/17 17:00:51 write 10 bytes, content is$go run client1.go 2015/11/17 17:00:51 begin dial... 2015/11/17 17:00:51 close ok 2015/11/17 17:00:51 read error: read tcp 127.0.0.1:64195->127.0.0.1:8888: use of closed network connection 2015/11/17 17:00:51 write error: write tcp 127.0.0.1:64195->127.0.0.1:8888: use of closed network connection

• ?

從client的結(jié)果來看，在己方已經(jīng)關(guān)閉的socket上再進行read和write操作，會得到”use of closed network connection” error；

從server的執(zhí)行結(jié)果來看，在對方關(guān)閉的socket上執(zhí)行read操作會得到EOF error，但write操作會成功，因為數(shù)據(jù)會成功寫入己方的內(nèi)核socket緩沖區(qū)中，即便最終發(fā)不到對方socket緩沖區(qū)了，因為己方socket并未關(guān)閉。因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)對方socket關(guān)閉后，己方應(yīng)該正確合理處理自己的socket，再繼續(xù)write已經(jīng)無任何意義了

八、小結(jié)?
本文比較基礎(chǔ)，但卻很重要，畢竟golang是面向大規(guī)模服務(wù)后端的，對通信環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)的深入理解會大有裨益。另外Go的goroutine+阻塞通信的網(wǎng)絡(luò)通信模型降低了開發(fā)者心智負(fù)擔(dān)，簡化了通信的復(fù)雜性，這點尤為重要

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Go语言TCP网络编程(详细)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。