谈谈golang网络库的入门认识

  • 发布时间:2017-01-10 10:52:10
  • 作者:AlfredZhao
  • 标签:golang

Go语言的出现,让我见到了一门语言把网络编程这件事情给做“正确”了,当然,除了Go语言以外,还有很多语言也把这件事情做”正确”了。我一直坚持着这样的理念——要做"正确"的事情,而不是"高性能"的事情;很多时候,我们在做系统设计、技术选型的时候,都被“高性能”这三个字给绑架了,当然不是说性能不重要,你懂的。

目前很多高性能的基础网络服务器都是采用的C语言开发的,比如:Nginx、Redis、memcached等,它们都是基于”事件驱动 + 事件回掉函数”的方式实现,也就是采用epoll等作为网络收发数据包的核心驱动。不少人(包括我自己)都认为“事件驱动 + 事件回掉函数”的编程方法是“反人类”的;因为大多数人都更习惯线性的处理一件事情,做完第一件事情再做第二件事情,并不习惯在N件事情之间频繁的切换干 活。为了解决程序员在开发服务器时需要自己的大脑不断的“上下文切换”的问题,Go语言引入了一种用户态线程goroutine来取代编写异步的事件回掉 函数,从而重新回归到多线程并发模型的线性、同步的编程方式上。


用Go语言写一个最简单的echo服务器:

package main 
 
import ( 
    "log" 
    "net" 
) 
 
func main() { 
    ln, err := net.Listen("tcp", ":8080") 
    if err != nil { 
            log.Println(err) 
            return 
    } 
    for { 
            conn, err := ln.Accept() 
            if err != nil { 
                log.Println(err) 
                continue 
            } 
 
            go echoFunc(conn) 
    } 
} 
 
func echoFunc(c net.Conn) { 
    buf := make([]byte, 1024) 
 
    for { 
            n, err := c.Read(buf) 
            if err != nil { 
                log.Println(err) 
                return 
            } 
 
            c.Write(buf[:n]) 
    } 
} 

main函数的过程就是首先创建一个监听套接字,然后用一个for循环不断的从监听套接字上Accept新的连接,最后调用echoFunc函数在建立的连接上干活。关键代码是:

go echoFunc(conn) 


每收到一个新的连接,就创建一个“线程”去服务这个连接,因此所有的业务逻辑都可以同步、顺序的编写到echoFunc函数中,再也不用去关心网络 IO是否会阻塞的问题。不管业务多复杂,Go语言的并发服务器的编程模型都是长这个样子。可以肯定的是,在linux上Go语言写的网络服务器也是采用的 epoll作为最底层的数据收发驱动,Go语言网络的底层实现中同样存在“上下文切换”的工作,只是这个切换工作由runtime的调度器来做了,减少了 程序员的负担。

弄明白网络库的底层实现,貌似只要弄清楚echo服务器中的Listen、Accept、Read、Write四个函数的底层实现关系就可以了。本文将采用自底向上的方式来介绍,也就是从最底层到上层的方式,这也是我阅读源码的方式。底层实现涉及到的核心源码文件主要有:

net/fd_unix.go 
net/fd_poll_runtime.go
runtime/netpoll.goc 
runtime/netpoll_epoll.c 
runtime/proc.c (调度器)

netpoll_epoll.c文件是Linux平台使用epoll作为网络IO多路复用的实现代码,这份代码可以了解到epoll相关的操作(比 如:添加fd到epoll、从epoll删除fd等),只有4个函数,分别是runtime·netpollinit、 runtime·netpollopen、runtime·netpollclose和runtime·netpoll。init函数就是创建epoll 对象,open函数就是添加一个fd到epoll中,close函数就是从epoll删除一个fd,netpoll函数就是从epoll wait得到所有发生事件的fd,并将每个fd对应的goroutine(用户态线程)通过链表返回。用epoll写过程序的人应该都能理解这份代码,没 什么特别之处。

void 
runtime·netpollinit(void) 
{ 
    epfd = runtime·epollcreate1(EPOLL_CLOEXEC); 
    if(epfd >= 0) 
        return; 
    epfd = runtime·epollcreate(1024); 
    if(epfd >= 0) { 
        runtime·closeonexec(epfd); 
        return; 
    } 
    runtime·printf("netpollinit: failed to create descriptor (%d)\n", -epfd); 
    runtime·throw("netpollinit: failed to create descriptor"); 
} 


runtime·netpollinit函数首先使用runtime·epollcreate1创建epoll实例,如果没有创建成功,就换用 runtime·epollcreate再创建一次。这两个create函数分别等价于glibc的epoll_create1和 epoll_create函数。只是因为Go语言并没有直接使用glibc,而是自己封装的系统调用,但功能是等价于glibc的。可以通过man手册查 看这两个create的详细信息。

int32 
runtime·netpollopen(uintptr fd, PollDesc *pd) 
{ 
    EpollEvent ev; 
    int32 res; 
     
    ev.events = EPOLLIN|EPOLLOUT|EPOLLRDHUP|EPOLLET; 
    ev.data = (uint64)pd; 
    res = runtime·epollctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, (int32)fd, &ev); 
    return -res; 
} 


添加fd到epoll中的runtime·netpollopen函数可以看到每个fd一开始都关注了读写事件,并且采用的是边缘触发,除此之外还关注了一个不常见的新事件EPOLLRDHUP,这个事件是在较新的内核版本添加的,目的是解决对端socket关闭,epoll本身并不能直接感知到这个关闭动作的问题。注意任何一个fd在添加到epoll中的时候就关注了EPOLLOUT事件的话,就立马产生一次写事件,这次事件可能是多余浪费的。

epoll操作的相关函数都会在事件驱动的抽象层中去调用,为什么需要这个抽象层呢?原因很简单,因为Go语言需要跑在不同的平台上,有Linux、Unix、Mac OS X和Windows等,所以需要靠事件驱动的抽象层来为网络库提供一致的接口,从而屏蔽事件驱动的具体平台依赖实现。runtime/netpoll.goc源文件就是整个事件驱动抽象层的实现,抽象层的核心数据结构是:

struct PollDesc 
{ 
    PollDesc* link; // in pollcache, protected by pollcache.Lock 
    Lock;       // protectes the following fields 
    uintptr fd; 
    bool    closing; 
    uintptr seq;    // protects from stale timers and ready notifications 
    G*  rg; // G waiting for read or READY (binary semaphore) 
    Timer   rt; // read deadline timer (set if rt.fv != nil) 
    int64   rd; // read deadline 
    G*  wg; // the same for writes 
    Timer   wt; 
    int64   wd; 
};


每个添加到epoll中的fd都对应了一个PollDesc结构实例,PollDesc维护了读写此fd的goroutine这一非常重要的信息。可以大胆的推测一下,网络IO读写操作的实现应该是:当在一个fd上读写遇到EAGAIN错误的时候,就将当前goroutine存储到这个fd对应的PollDesc中,同时将goroutine给park住,直到这个fd上再此发生了读写事件后,再将此goroutine给ready激活重新运行。事实上的实现大概也是这个样子的。

事件驱动抽象层主要干的事情就是将具体的事件驱动实现(比如: epoll)通过统一的接口封装成Go接口供net库使用,主要的接口也是:创建事件驱动实例、添加fd、删除fd、等待事件以及设置DeadLine。runtime_pollServerInit负责创建事件驱动实例,runtime_pollOpen将分配一个PollDesc实例和fd绑定起来,然后将fd添加到epoll中,runtime_pollClose就是将fd从epoll中删除,同时将删除的fd绑定的PollDesc实例删除,runtime_pollWait接口是至关重要的,这个接口一般是在非阻塞读写发生EAGAIN错误的时候调用,作用就是park当前读写的goroutine。

runtime中的epoll事件驱动抽象层其实在进入net库后,又被封装了一次,这一次封装从代码上看主要是为了方便在纯Go语言环境进行操作,net库中的这次封装实现在net/fd_poll_runtime.go文件中,主要是通过pollDesc对象来实现的:


type pollDesc struct { 
    runtimeCtx uintptr 
} 


注意:此处的pollDesc对象不是上文提到的runtime中的PollDesc,相反此处pollDesc对象的runtimeCtx成员才是指向的runtime的PollDesc实例。pollDesc对象主要就是将runtime的事件驱动抽象层给再封装了一次,供网络fd对象使用。

var serverInit sync.Once 
 
func (pd *pollDesc) Init(fd *netFD) error { 
    serverInit.Do(runtime_pollServerInit) 
    ctx, errno := runtime_pollOpen(uintptr(fd.sysfd)) 
    if errno != 0 { 
        return syscall.Errno(errno) 
    } 
    pd.runtimeCtx = ctx 
    return nil 
} 


pollDesc对象最需要关注的就是其Init方法,这个方法通过一个sync.Once变量来调用了runtime_pollServerInit函数,也就是创建epoll实例的函数。意思就是runtime_pollServerInit函数在整个进程生命周期内只会被调用一次,也就是只会创建一次epoll实例。epoll实例被创建后,会调用runtime_pollOpen函数将fd添加到epoll中。

网络编程中的所有socket fd都是通过netFD对象实现的,netFD是对网络IO操作的抽象,linux的实现在文件net/fd_unix.go中。netFD对象实现有自己的init方法,还有完成基本IO操作的Read和Write方法,当然除了这三个方法以外,还有很多非常有用的方法供用户使用。

// Network file descriptor. 
type netFD struct { 
    // locking/lifetime of sysfd + serialize access to Read and Write methods 
    fdmu fdMutex 
 
    // immutable until Close 
    sysfd       int 
    family      int 
    sotype      int 
    isConnected bool 
    net         string 
    laddr       Addr 
    raddr       Addr 
 
    // wait server 
    pd pollDesc 
} 


通过netFD对象的定义可以看到每个fd都关联了一个pollDesc实例,通过上文我们知道pollDesc对象最终是对epoll的封装。

func (fd *netFD) init() error { 
    if err := fd.pd.Init(fd); err != nil { 
        return err 
    } 
    return nil 
} 


netFD对象的init函数仅仅是调用了pollDesc实例的Init函数,作用就是将fd添加到epoll中,如果这个fd是第一个网络socket fd的话,这一次init还会担任创建epoll实例的任务。要知道在Go进程里,只会有一个epoll实例来管理所有的网络socket fd,这个epoll实例也就是在第一个网络socket fd被创建的时候所创建。

for { 
    n, err = syscall.Read(int(fd.sysfd), p) 
    if err != nil { 
        n = 0 
        if err == syscall.EAGAIN { 
            if err = fd.pd.WaitRead(); err == nil { 
                continue 
            } 
        } 
    } 
    err = chkReadErr(n, err, fd) 
    break 
} 


上面代码段是从netFD的Read方法中摘取,重点关注这个for循环中的syscall.Read调用的错误处理。当有错误发生的时候,会检查这个错误是否是syscall.EAGAIN,如果是,则调用WaitRead将当前读这个fd的goroutine给park住,直到这个fd上的读事件再次发生为止。当这个socket上有新数据到来的时候,WaitRead调用返回,继续for循环的执行。这样的实现,就让调用netFD的Read的地方变成了同步“阻塞”方式编程,不再是异步非阻塞的编程方式了。netFD的Write方法和Read的实现原理是一样的,都是在碰到EAGAIN错误的时候将当前goroutine给park住直到socket再次可写为止。

本文只是将网络库的底层实现给大体上引导了一遍,知道底层代码大概实现在什么地方,方便结合源码深入理解。Go语言中的高并发、同步阻塞方式编程的关键其实是”goroutine和调度器”,针对网络IO的时候,我们需要知道EAGAIN这个非常关键的调度点,掌握了这个调度点,即使没有调度器,自己也可以在epoll的基础上配合协程等用户态线程实现网络IO操作的调度,达到同步阻塞编程的目的。

最后,为什么需要同步阻塞的方式编程?只有看多、写多了异步非阻塞代码的时候才能够深切体会到这个问题。真正的高大上绝对不是——“别人不会,我会;别人写不出来,我写得出来。”