Golang服务器的网络层实现

2018-06-28 本文已影响10人豆瓣奶茶

由于最近有接触到一些长连接的服务器实现，对网络模型有所学习。对基于C/C++的网络模型实现和基于GoLang的实现对比下来，发现Golang的网络模型编程难度大大降低，这得益于Golang的goroutine，可以在编程的时候肆无忌惮的创建并发"线程"，当服务器能为每一个客户端都开启若干"线程"的话，编程变的简单很多。

传统语言的网络层处理

服务需要同时服务N个客户端，所以传统的编程方式是采用IO复用，这样在一个线程中对N个套接字进行事件捕获，当读写事件产生后再真正read()或者write()，这样才能提高吞吐：

img

上图中：

绿色线程为接受客户端TCP链接的线程，使用阻塞的调用socket.accept()，当有新的连接到来后，将socket对象conn加入IO复用队列。
紫色线程为IO复用的阻塞调用，通常采用epoll等系统调用实现IO复用。当IO复用队列中的任意socket有数据到来，或者写缓冲区空闲时可触发epoll调用的返回，否则阻塞epoll调用。数据的实际发送和接收都在紫色线程中完成。所以为了提高吞吐，对某个socket的read和write都应该使用非阻塞的模式，这样才能最大限度的提高系统吞吐。例如，假设正在对某个socket调用阻塞的write，当数据没有完全发送完成前，write将无法返回，从而阻止了整个epoll进入下一个循环，如果这个时候其他的socket有读就绪的话，将无法第一时间响应。所以非阻塞的读写将在某个fd读写较慢的时候，立刻返回，而不会一直等到读写结束。这样才能提高吞吐。然而，采用非阻读写将大大提高编程难度。
紫色线程负责将数据进行解码并放入队列中，等待工作线程处理；工作线程有数据要发送时，也将数据放入发送队列，并通过某种机制通知紫色线程对应的socket有数据要写，进而使得数据在紫色线程中写入socket。

这种模型的编程难度主要体现在：

线程少（也不能太多），导致一个线程需要处理多个描述符，从而存在对描述符状态的维护问题。甚至，业务层面的会话等都需要小心维护
非阻塞IO调用，使描述符的状态更为复杂
队列的同步处理

不得不说，能用C或C++来写服务器的是真大神！

Golang的goroutine

Golang是一门比较新的语言，正在快速的发展。Golang从语言层面支持一种叫协程的轻量级线程模型，称为goroutine。当我们创建协程时，实际并不会创建操作系统的线程，Golang会使用现有的线程来调度协程。也就是说，从程序员的角度，协程是并发执行的，好像线程一下，而从操作系统的角度来看，程序可能只有几个线程在运行。在同一个应用程序中，协程可以有成千上万个！所以可以有成千上万个并发任务，而这些任务的调度又十分轻量，比线程调度轻量的多的多。所以从程序员的角度，使用Golang就可以在一个应用程序中同时开启成千上万个并发任务。简直逆天！

在Golang中使用go关键字来开启一个goroutine：

func main() {
    log.Println("Hello, world")

    netListen, err := net.Listen("tcp", "localhost:4000")
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }

    defer netListen.Close()

    log.Println("Waiting for clients")

    for {
        conn, err := netListen.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }

        log.Println(conn.RemoteAddr().String(), " tcp connect success")
        go handleConnection(conn)
    }
}

func handleConnection(conn net.Conn) {
    ...
}

Golang的channel

除了对并发的支持外，Golang中有一种叫channel的并发同步机制。channel类似队列，是goroutine安全的。所以结合goroutine和channel可以轻而易举的实现并发编程。

Golang如何实现网络层

通过参考多个Golang的开源程序，笔者得出的结论是：肆无忌惮的用goroutine吧。于是一个Golang版的网络模型大致是这样的：

img

上图是单个客户端连接的服务器模块结构，同样的一个颜色代表一个协程：

绿色goroutine依然是接受TCP链接
当完成握手accept返回conn对象后，使用一个单独的goroutine来阻塞读（紫色），使用一个单独的goroutine来阻塞写（红色）
读到的数据通过解码后放入读channel，并由蓝色的goroutine来处理
需要写数据时，蓝色的goroutine将数据写入写channel，从而触发红色的goroutine编码并写入conn

可以看到，针对一个客户端，服务端至少有3个goroutine在单独为这个客户端服务。如果从线程的角度来看，简直是浪费啊，然而这就是协程的好处。这个模型很容易理解，因为跟人们的正常思维方式是一致的。并且都是阻塞的调用，所以无需维护状态。

再来看看多个客户端的情况：

img

在多个客户端之间，虽然用了相同的颜色表示goroutine，但实际上他们都是独立的goroutine，可以想象goroutine的数量将是惊人的。然而，根本不用担心！这样的应用程序可能真正的线程只有几个而已。

Golang服务器的网络层实现

传统语言的网络层处理

Golang的goroutine

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Golang如何实现网络层

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