Go1.18 新特性：引入新的 netip 网络库

大家好，我是煎鱼。

写这篇文章时是大年初一，原本想说这个月就要发布 Go1.18 了。但是，好家伙，Go1.18 beta2 发布了，官方告知社区 Go1.18 要拖更到 3 月份了，咕咕咕...

如下图：

所以还是得继续学习新特性，今天煎鱼将结合 Brad Fitzpatrick 写的《netaddr.IP: a new IP address type for Go》带大家了解 Go1.18 的新网络库 net/netip 的缘由。

背景

大佬离职

原本 Go 开发团队中的 Brad Fitzpatrick，在 2010~2020 年都在 Go 团队工作，在 2021 年起换公司了。

如下推特的消息：

离职的原因是：做了同样的东西太久了，有些厌烦，不想陷在一个舒适的困境中。

现在来看是换到了 Tailscale，做 WireGuard 相关工作，要经常与网络库打交道。

需求诞生

大佬公司写的 Tailscale，本质上是一个网络应用程序，要与网络打交道，又是用 Go 写的，就会涉及到标准库 net：

在单个 IP 类型上使用 net.IP。
网络表示上使用 net.IPNet。

示例代码：

import (
    "fmt"
    "net"
)

func main() {
    fmt.Println(net.IPv4(8, 8, 8, 8))
}

输出结果：

8.8.8.8

Brad Fitzpatrick 在实际编写和使用时，发现 net 标准库的类型有很多问题，很不好用。

现在有什么问题

Brad Fitzpatrick 对于标准库 net.IP 的问题，直接在文章中列举了出来，论据十足。

共 7 个大问题：

它是可变的。
net.IP 的底层类型是 []byte，这意味着你传递给它的任何东西都可能改变它。
它不具有可比性。因为 Go 中的 slice 不具有可比性，这意味着 net.IP 不支持 Go 的 == 运算符的对比，不能作为 map 的 key 来使用。
它有两种 IP 地址类型，要纠结用 net.IP，还是 net.IPAddr，要选择就会很烦人。
它很大。Go 的 net.IP 包含 2 个部分，分别是 24 字节的 slice header 和 4/6 字节的 IP 地址。如果是 net.IPAddr 还会包含 Zone 字段。
它会在堆上分配内存。Go 的 net 包到处都是分配，把更多的工作放在了 GC 上。
它不可解析。从字符串形式解析 IP 时，Go 的 IP 类型无法区分 IPv4 映射的 IPv6 地址和 IPv4 地址。
它是透明类型（transparent type），net.IP 的定义是：type IP []byte，是其公共API的一部分，不可更改。

Brad 也有提到有些是当年早期的设计，当时经验不足，或是没有考虑好。

现在受限于 Go1 兼容性承诺，已经无法改变了（兼容性保障的双刃剑？）。

这是个真实版 “Eating your own dog food”，所以在 Tailscale 他又重新造了一个轮子 inetaf/netaddr，想贡献出来，塞进标准库里。

未来想要的样子

对比表格如下：

特性	老方案 net.IP	新方案
不变的	❌, slice	✅
可比的	❌, slice	✅
占用空间小	❌，28~56 字节	✅，固定 24 字节
不在堆上分配	❌	✅
支持 IPv4 和 IPv6	✅	✅
区分 IPv4 和 IPv6	❌	✅
支持 IPv6 区域	❌	✅
不透明的类型	❌	✅
与标准库互通	✅	，需适配方法

想要的样子，其实是 Brad 业务实战出来的诉求，就是要支持前面提到的 7 点。

解决方案

当前的进展

实现的结果，也就是新方案做出来了，他就是 inetaf/netaddr 这个库（当然，也不排除是结果倒推理论）。并且在 Go issues 中发起 issues 和 proposal。

Russ Cox 发起了新提案的讨论《proposal: net/netaddr: add new IP address type, netaddr package (discussion)")》，并被接纳，进入了 Go1.18 的新特性当中。

重造过程

新的 net/netip 库的每一个考量点，Brad 都在文章中有所详细讲解。

受限于篇幅，我们拿其中两点来分享，有兴趣的小伙伴可以阅读原文的剖析部分。

接口类型组合

在可比较这事上，Go 的接口（interface）其实是支持比较的，也就是可以作为 map 的 key 进行 == 运算符的比较。

实现了如下的第一版方案，设计了新的 netaddr.IP 类型：

type IP struct {
  ipImpl
}

type ipImpl interface {
  is4() bool
  is6() bool
  String() string
}

type v4Addr [4]byte
type v6Addr [16]byte
type v6AddrZone struct {
  v6Addr
  zone string
}

上述代码，在 IP 结构体中增加了 ipImpl 接口，既能支持比较，还可以不对外暴露（不透明类型），且可以支持 IPv6。

新的问题在于，虽然比原生 net 小了，但还是没达到目标，还是有在堆上分配的缺点。

免分配的 24 字节

如果继续使用接口，是无法解决根本目标（Brad 的目标是 24 字节）的。

因为接口（interface）占用 16 字节，剩余 8 个字节可以用，要放如下东西：

地址族（v4、v6，或两者都不是，如：IP 的零值），至少需要 2 位。
IPv6 的 zone 信息。

还要能比较，显然接口是无法实现的，因为地址+zone 信息算一下字节数，显示是不够用的。

正规显式的没办法，Brad 想到了用打包的方式：

type IP struct {
   addr          [16]byte
   zoneAndFamily uint64
}

但这么做，就意味着 zoneAndFamily 字段中需要计算位数，再对应的推入相应的值，但也未必太折腾了。

最终 Brad 想到了，可以使用指针的方式：

type IP struct {
    addr          [16]byte
    zoneAndFamily *T
}

再定义 3 个对应哨位值的来应用：

var (
     z0    *intern.Value        // 表示零值。
     z4    = new(intern.Value)  // 表示 IPv4 的哨位值
     z6noz = new(intern.Value)  // 表示 IPv6 的哨位值（没有 zone）。
)

这样就可以把 IP 类型固定在 24 字节。

总结

这个网络地址库，一般都用的比较少。但是 Brad Fitzpatrick 在此投入了大量的精力和研究，达到了最终的目标。

除去库的功能外，有许多技术优化点值得我们学习和参考，有兴趣深入优化部分的，可以阅读：https://tailscale.com/blog/netaddr-new-ip-type-for-go/

本文介绍的新 net/netip 库将会在 Go1.18 中作为新特性出现，欢迎大家一起学习交流：）

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