Go语言TCP网络编程(详细)

一、序言

Golang的主要 设计目标之一就是面向大规模后端服务程序，网络通信这块是服务端 程序必不可少也是至关重要的一部分。在日常应用中，我们也可以看到Go中的net以及其subdirectories下的包均是“高频+刚需”，而TCP socket则是网络编程的主流，即便您没有直接使用到net中有关TCP Socket方面的接口，但net/http总是用到了吧，http底层依旧是用tcp socket实现的。

网络编程方面，我们最常用的就是tcp socket编程了，在posix标准出来后，socket在各大主流OS平台上都得到了很好的支持。关于tcp programming，最好的资料莫过于W. Richard Stevens 的网络编程圣经《UNIX网络 编程 卷1：套接字联网API》 了，书中关于tcp socket接口的各种使用、行为模式、异常处理讲解的十分细致。Go是自带runtime的跨平台编程语言，Go中暴露给语言使用者的tcp socket api是建立OS原生tcp socket接口之上的。由于Go runtime调度的需要，golang tcp socket接口在行为特点与异常处理方面与OS原生接口有着一些差别。这篇博文的目标就是整理出关于Go tcp socket在各个场景下的使用方法、行为特点以及注意事项。

二、模型

从tcp socket诞生后，网络编程架构模型也几经演化，大致是：“每进程一个连接” –> “每线程一个连接” –> “Non-Block + I/O多路复用(linux epoll/windows iocp/freebsd darwin kqueue/solaris Event Port)”。伴随着模型的演化，服务程序愈加强大，可以支持更多的连接，获得更好的处理性能。

目前主流web server一般均采用的都是”Non-Block + I/O多路复用”（有的也结合了多线程、多进程）。不过I/O多路复用也给使用者带来了不小的复杂度，以至于后续出现了许多高性能的I/O多路复用框架， 比如libevent、libev、libuv等，以帮助开发者简化开发复杂性，降低心智负担。不过Go的设计者似乎认为I/O多路复用的这种通过回调机制割裂控制流 的方式依旧复杂，且有悖于“一般逻辑”设计，为此Go语言将该“复杂性”隐藏在Runtime中了：Go开发者无需关注socket是否是 non-block的，也无需亲自注册文件描述符的回调，只需在每个连接对应的goroutine中以“block I/O”的方式对待socket处理即可，这可以说大大降低了开发人员的心智负担。
一个典型的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 connection
        go HandleConn(conn)
    }
}

用户层眼中看到的goroutine中的“block socket”，实际上是通过Go runtime中的netpoller通过Non-block socket + I/O多路复用机制“模拟”出来的，真实的underlying socket实际上是non-block的，只是runtime拦截了底层socket系统调用的错误码，并通过netpoller和goroutine 调度让goroutine“阻塞”在用户层得到的Socket fd上。比如：当用户层针对某个socket fd发起read操作时，如果该socket fd中尚无数据，那么runtime会将该socket fd加入到netpoller中监听，同时对应的goroutine被挂起，直到runtime收到socket fd 数据ready的通知，runtime才会重新唤醒等待在该socket fd上准备read的那个Goroutine。而这个过程从Goroutine的视角来看，就像是read操作一直block在那个socket fd上似的。具体实现细节在后续场景中会有补充描述。

三、TCP连接的建立

众所周知，TCP Socket的连接的建立需要经历客户端和服务端的三次握手的过程。连接建立过程中，服务端是一个标准的Listen + Accept的结构(可参考上面的代码)，而在客户端Go语言使用net.Dial()或net.DialTimeout()进行连接建立：

阻塞Dial：

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

超时机制的Dial：

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

对于客户端而言，连接的建立会遇到如下几种情形：

1. 网络不可达或对方服务未启动

如果传给Dial的Addr是可以立即判断出网络不可达，或者Addr中端口对应的服务没有启动，端口未被监听，Dial会几乎立即返回错误，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")
}

如果本机8888端口未有服务程序监听，那么执行上面程序，Dial会很快返回错误：

$go run client1.go
2018/11/12 14:37:41 begin dial...
2018/11/12 14:37:41 dial error: dial tcp :8888: getsockopt: connection refused

2. 对方服务的listen backlog满

还有一种场景就是对方服务器很忙，瞬间有大量client端连接尝试向server建立，server端的listen backlog队列满，server accept不及时((即便不accept，那么在backlog数量范畴里面，connect都会是成功的，因为new conn已经加入到server side的listen queue中了，accept只是从queue中取出一个conn而已)，这将导致client端Dial阻塞。我们还是通过例子感受Dial的行为特点：
服务端代码

//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 int
    for {
        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)
    }
}

客户端代码：

//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.Conn
    for i := 1; i < 1000; i++ {
        conn := establishConn(i)
        if conn != nil {
            sl = append(sl, conn)
        }
    }

    time.Sleep(time.Second * 10000)
}

从程序可以看出，服务端在listen成功后，每隔10s钟accept一次。客户端则是串行的尝试建立连接。这两个程序在Darwin下的执行 结果：

$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
2018/11/12 21:55:44 1 :connect to server ok
2018/11/12 21:55:44 2 :connect to server ok
2018/11/12 21:55:44 3 :connect to server ok
... ...

2018/11/12 21:55:44 126 :connect to server ok
2018/11/12 21:55:44 127 :connect to server ok
2018/11/12 21:55:44 128 :connect to server ok

2018/11/12 21:55:52 129 :connect to server ok
2018/11/12 21:56:03 130 :connect to server ok
2018/11/12 21:56:14 131 :connect to server ok
... ...

可以看出Client初始时成功地一次性建立了128个连接，然后后续每阻塞近10s才能成功建立一条连接。也就是说在server端 backlog满时(未及时accept)，客户端将阻塞在Dial上，直到server端进行一次accept。至于为什么是128，这与darwin 下的默认设置有关：
如果我在ubuntu 14.04上运行上述server程序，我们的client端初始可以成功建立499条连接。

如果server一直不accept，client端会一直阻塞么？我们去掉accept后的结果是：在Darwin下，client端会阻塞大 约1分多钟才会返回timeout：
而如果server运行在ubuntu 14.04上，client似乎一直阻塞，我等了10多分钟依旧没有返回。 阻塞与否看来与server端的网络实现和设置有关。

3. 网络延迟较大，Dial阻塞并超时

如果网络延迟较大，TCP握手过程将更加艰难坎坷（各种丢包），时间消耗的自然也会更长。Dial这时会阻塞，如果长时间依旧无法建立连接，则Dial也会返回“ getsockopt: operation timed out”错误。

在连接建立阶段，多数情况下，Dial是可以满足需求的，即便阻塞一小会儿。但对于某些程序而言，需要有严格的连接时间限定，如果一定时间内没能成功建立连接，程序可能会需要执行一段“异常”处理逻辑，为此我们就需要DialTimeout了。下面的例子将Dial的最长阻塞时间限制在2s内，超出这个时长，Dial将返回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")
}

执行结果如下，需要模拟一个网络延迟大的环境

$go run client3.go
2018/11/12 09:28:34 begin dial...
2018/11/12 09:28:36 dial error: dial tcp 104.236.176.96:80: i/o timeout

四、 Socket读写

连接建立起来后，我们就要在conn上进行读写，以完成业务逻辑。前面说过Go runtime隐藏了I/O多路复用的复杂性。语言使用者只需采用goroutine+Block I/O的模式即可满足大部分场景需求。Dial成功后，方法返回一个net.Conn接口类型变量值，这个接口变量的动态类型为一个*TCPConn。

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

TCPConn内嵌了一个unexported类型：conn，因此TCPConn”继承”了conn的Read和Write方法，后续通过Dial返回值调用的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
}

conn.Read的行为特点

1. Socket中无数据

连接建立后，如果对方未发送数据到socket，接收方(Server)会阻塞在Read操作上，这和前面提到的“模型”原理是一致的。执行该Read操作的goroutine也会被挂起。runtime会监视该socket，直到其有数据才会重新调度该socket对应的Goroutine完成read。由于篇幅原因，这里就不列代码了，例子对应的代码文件：go-tcpsock/read_write下的client1.go和server1.go。

2.Socket中有部分数据

如果socket中有部分数据，且长度小于一次Read操作所期望读出的数据长度，那么Read将会成功读出这部分数据并返回，而不是等待所有期望数据全部读取后再返回。

3.Socket中有足够数据

如果socket中有数据，且长度大于等于一次Read操作所期望读出的数据长度，那么Read将会成功读出这部分数据并返回。这个情景是最符合我们对Read的期待的了：Read将用Socket中的数据将我们传入的slice填满后返回：n = 10, err = nil。

4.Socket关闭

如果client端主动关闭了socket，那么Server的Read将会读到什么呢？
这里分为“有数据关闭”和“无数据关闭”。

有数据关闭是指在client关闭时，socket中还有server端未读取的数据。当client端close socket退出后，server依旧没有开始Read，10s后第一次Read成功读出了所有的数据，当第二次Read时，由于client端 socket关闭，Read返回EOF error。

无数据关闭情形下的结果，那就是Read直接返回EOF error。

5. 读取操作超时

有些场合对Read的阻塞时间有严格限制，在这种情况下，Read的行为到底是什么样的呢？在返回超时错误时，是否也同时Read了一部分数据了呢？
不会出现“读出部分数据且返回超时错误”的情况。

conn.Write的行为特点

1. 成功写

前面例子着重于Read，client端在Write时并未判断Write的返回值。所谓“成功写”指的就是Write调用返回的n与预期要写入的数据长度相等，且error = nil。这是我们在调用Write时遇到的最常见的情形，这里不再举例了。

2. 写阻塞

TCP连接通信两端的OS都会为该连接保留数据缓冲，一端调用Write后，实际上数据是写入到OS的协议栈的数据缓冲的。TCP是全双工通信，因此每个方向都有独立的数据缓冲。当发送方将对方的接收缓冲区以及自身的发送缓冲区写满后，Write就会阻塞。

3.写入部分数据

Write操作存在写入部分数据的情况。没有按照预期的写入所有数据。这时候循环写入便是

综上例子，虽然Go给我们提供了阻塞I/O的便利，但在调用Read和Write时依旧要综合需要方法返回的n和err的结果，以做出正确处理。net.conn实现了io.Reader和io.Writer接口，因此可以试用一些wrapper包进行socket读写，比如bufio包下面的Writer和Reader、io/ioutil下的函数等。

五、Goroutine safe

基于goroutine的网络架构模型，存在在不同goroutine间共享conn的情况，那么conn的读写是否是goroutine safe的呢？在深入这个问题之前，我们先从应用意义上来看read操作和write操作的goroutine-safe必要性。

对于read操作而言，由于TCP是面向字节流，conn.Read无法正确区分数据的业务边界，因此多个goroutine对同一个conn进行read的意义不大，goroutine读到不完整的业务包反倒是增加了业务处理的难度。对与Write操作而言，倒是有多个goroutine并发写的情况。

每次Write操作都是受lock保护，直到此次数据全部write完。因此在应用层面，要想保证多个goroutine在一个conn上write操作的Safe，需要一次write完整写入一个“业务包”；一旦将业务包的写入拆分为多次write，那就无法保证某个Goroutine的某“业务包”数据在conn发送的连续性。

同时也可以看出即便是Read操作，也是lock保护的。多个Goroutine对同一conn的并发读不会出现读出内容重叠的情况，但内容断点是依 runtime调度来随机确定的。存在一个业务包数据，1/3内容被goroutine-1读走，另外2/3被另外一个goroutine-2读 走的情况。比如一个完整包：world，当goroutine的read slice size < 5时，存在可能：一个goroutine读到 “worl”,另外一个goroutine读出”d”。

六、Socket属性

原生Socket API提供了丰富的sockopt设置接口，但Golang有自己的网络架构模型，golang提供的socket options接口也是基于上述模型的必要的属性设置。包括
SetKeepAlive
SetKeepAlivePeriod
SetLinger
SetNoDelay （默认no delay）
SetWriteBuffer
SetReadBuffer

不过上面的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)

对于listener socket, golang默认采用了 SO_REUSEADDR，这样当你重启 listener程序时，不会因为address in use的错误而启动失败。而listen backlog的默认值是通过获取系统的设置值得到的。不同系统不同：mac 128, linux 512等。

七、关闭连接

和前面的方法相比，关闭连接算是最简单的操作了。由于socket是全双工的，client和server端在己方已关闭的socket和对方关闭的socket上操作的结果有不同。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 connection
    var 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]))
    }
}
... ...

执行结果如下：

$go run server1.go
2018/11/12 17:00:51 accept a new connection
2018/11/12 17:00:51 start to read from conn
2018/11/12 17:00:51 conn read error: EOF
2018/11/12 17:00:51 write 10 bytes, content is

$go run client1.go
201811/12 17:00:51 begin dial...
2018/11/12 17:00:51 close ok
2018/11/12 17:00:51 read error: read tcp 127.0.0.1:64195->127.0.0.1:8888: use of closed network connection
2018/11/12 17:00:51 write error: write tcp 127.0.0.1:64195->127.0.0.1:8888: use of closed network connection

从client的结果来看，在己方已经关闭的socket上再进行read和write操作，会得到”use of closed network connection” error；

从server的执行结果来看，在对方关闭的socket上执行read操作会得到EOF error，但write操作会成功，因为数据会成功写入己方的内核socket缓冲区中，即便最终发不到对方socket缓冲区了，因为己方socket并未关闭。因此当发现对方socket关闭后，己方应该正确合理处理自己的socket，再继续write已经无任何意义了。

八、小结

本文比较基础，但却很重要，毕竟golang是面向大规模服务后端的，对通信环节的细节的深入理解会大有裨益。另外Go的goroutine+阻塞通信的网络通信模型降低了开发者心智负担，简化了通信的复杂性，这点尤为重要。

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