GoBIO/NIO探讨：基于系统调用实现TcpEchoServer

Go net库对 tcp server 的支持非常完善，其中最核心的部分依赖系统调用 socket/bind/listen/accept。这些系统调用被完好地封装在syscall库里, 而且这层封装屏一定程度上蔽掉了底层操作系统的差异性。

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如果你读过前一篇文章，会发现net库应用了面向对象编程的思路，对系统调用做了很多层封装。这篇文章中，我们利用面向过程编程的思路，只依赖syscall库而不是net库，实现一个简单的 echo server，以更好地理解 tcp server 的工作原理。

服务流程

  1. 创建套接字: syscall.Socket()。
  2. 绑定套接字和ip:port: syscall.Bind()。
  3. 监听套接字: syscall.Listen()。
  4. for循环:接收tcp connection: syscall.Accept()处理tcp connection: go echo(clientSocketFd)。

通用的一些变量有：

var (
  // IPV4协议
  family     = syscall.AF_INET
  // 基于TCP, 提供有序、可靠、双向、基于连接的字节流，不限制消息长度，支持消息的优先级传输
  sotype     = syscall.SOCK_STREAM
  // protocol = tcp
  _          = "tcp"
  // ESTABLISHED状态的tcp conn队列的最大长度
  listenBacklog = syscall.SOMAXCONN
  // server ip:port
  serverip   = net.IPv4(0, 0, 0, 0)
  serverport = 8080
)

为了方便代码跳转到linux的实现，可以修改Goland上的GOOS选项：

Goland配置

创建套接字

// 创建套接字
  sockfd, err := syscall.Socket(family, sotype, 0)
  if err != nil {
    panic(fmt.Errorf("fails to create socket: %s", err))
  }
  syscall.CloseOnExec(sockfd)

net库将套接字设置为 SOCK_NONBLOCK，非阻塞模式下 accept/read/write 有时候会返回 EWOULDBLOCK 或 EAGAIN 错误，需要利用 wait 机制去实现goroutine的阻塞，增加了编程的复杂度。这里我们使用默认的阻塞模式。如果想要实验非阻塞模式，可以参考下面这段代码：

// Nonblock 处理起来太复杂了，先注释掉这一段
if err := syscall.SetNonblock(sockfd, true); err != nil {
  syscall.Close(sockfd)
  log.Printf("setnonblock error=%v\n", err)
  os.Exit(-1)
}

绑定套接字和ip:port

// ipToSockaddrInet4 是从 net/tcpsock_posix.go 抄的
addr, err := ipToSockaddrInet4(serverip, serverport)
if err != nil {
  panic(fmt.Sprintf("fails to convert address %s:%d to socket addr, err=%s", 
    serverip, serverport, 
    err))
}

if err := syscall.Bind(sockfd, &addr); err != nil {
  panic(fmt.Sprintf("fails to bind socket %d to address %s:%d, err=%s",
    sockfd,
    serverip, serverport,
    err))
}

监听套接字

syscall.Listen函数修改sockfd的状态为 LISTEN，内核开始监听套接字。

if err := syscall.Listen(sockfd, listenBacklog); err != nil {
  log.Printf("listen sockfd %d to addr error=%v\n", sockfd, err)
  panic(fmt.Sprintf("fails to listen socket %d", sockfd))
} else {
  log.Printf("Started listening on %s:%d", serverip, serverport)
}

for循环 accept

这里 syscall.Accept 仍然采用了阻塞模式。如果要采用非阻塞模式，则需要改成 syscall.Accept4 并传入 SOCK_NONBLOCK 和 SOCK_CLOEXEC flag。

for {
  clientSockfd, clientSockAddr, err := syscall.Accept(sockfd)
  if err != nil {
    log.Printf("accept sockfd %d error=%v\n", sockfd, err)
    continue
  }
  clientSockAddrInet4 := clientSockAddr.(*syscall.SockaddrInet4)
  log.Printf("Connected with new client, sock addr = %v:%d\n", clientSockAddrInet4.Addr, clientSockAddrInet4.Port)
  go echo(clientSockfd)
}

一个 ESTABLISHED 套接字代表一个client端的连接，我们将这个字段传给echo函数，实现复读机功能。echo 会持续从套接字读取数据到 byte buffer 结构中，然后再写回到套接字。如果client端关闭连接，Read/Write 就会失败，导致函数退出。

func echo(sockfd int) {
  defer func() {
    if err := syscall.Close(sockfd); err != nil {
      log.Printf("[echo] close sock %v fails, err=%v\n", sockfd, err)
    }
  }()
  var buf [32 * 1024]byte
  for {
    nRead, err := syscall.Read(sockfd, buf[:])
    if err != nil {
      log.Printf("fails to read data from sockfd %d, err=%v\n", sockfd, err)
      return
    }

    if _, err := syscall.Write(sockfd, buf[:nRead]); err != nil {
      log.Printf("fails to write data %s into sockfd %d, err=%v\n", buf[:nRead], sockfd, err)
      return
    }
  }
}

关闭套接字

作为一个 Server，我们通常会要求 Graceful Shutdown (不过Gin框架没有实现这一点)。做法也比较简单。

  1. 创建一个容量为0的channel。
  2. 注册监听哪些操作系统信号。
  3. 在 goroutine 里从channel读取信号，并做出相应的反应。
// 接收到Ctrl+C信号后，关闭socket
c := make(chan os.Signal)
signal.Notify(c, os.Interrupt, syscall.SIGTERM)
go func() {
  <-c
  log.Println("\r- Ctrl+C pressed in Terminal")

  if err := syscall.Close(sockfd); err != nil {
    log.Printf("Close sockfd %d fails, err=%v\n", sockfd, err)
  } else {
    log.Printf("Server stopped successfully!!!")
  }
  // 收到信号后需要处理, 否则程序会永久hang住, 需要kill -9 
  // os.Exit 会导致所有goroutine都会立即停止执行
  os.Exit(0)
}()

我们这里的处理比较简单，没有判断具体是什么信号，只是关闭套接字，然后退出程序。

这段代码放在 syscall.Socket 和 syscall.Bind 之间即可。

实现 echo client

echo client的功能是：

  1. 通过 socket, connect 系统调用建立与tcp server的连接。
  2. 创建 bufio.Reader，从os.Stdin读取输入。
  3. for循环: 从stdin读取输入，写入套接字；遇到Ctrl+D退出。

代码如下：

func main() {
  var (
    family     = syscall.AF_INET
    sotype     = syscall.SOCK_STREAM
    _          = "tcp"
    serverip   = net.IPv4(0, 0, 0, 0)
    serverport = 8080
  )

  // 创建套接字
  sockfd, err := syscall.Socket(family, sotype, 0)
  if err != nil {
    panic(fmt.Errorf("fails to create socket: %s", err))
  }

  defer syscall.Close(sockfd)

  serverAddr, err := ipToSockaddrInet4(serverip, serverport)
  if err != nil {
    panic(fmt.Sprintf("fails to convert address %s:%d to socket addr, err=%v", serverip, serverport, err))
  }

  if err := syscall.Connect(sockfd, &serverAddr); err != nil {
    panic(fmt.Errorf("fails to connect sockfd %d to server, err=%v\n", sockfd, err))
  }

  reader := bufio.NewReader(os.Stdin)
  readBuf := make([]byte, 1024)

  for {
    dataBytes, err := reader.ReadBytes('\n')

    if err == io.EOF { // keyboard signal: CTRL-D
      log.Printf("Client exits gracefully!!!\n")
      return
    } else if err != nil {
      log.Printf("read error %v, shall exit\n", err)
      return
    } else {
      nWrite, err := syscall.Write(sockfd, dataBytes)
      if err != nil {
        log.Printf("write sockfd %d fails, error=%#v\n", sockfd, err)
        return
      } else {
        log.Printf("write %d bytes\n", nWrite)
      }

      nRead, err := syscall.Read(sockfd, readBuf[:])
      if err != nil {
        log.Printf("read sockfd %d fails, error=%#v\n", sockfd, err)
        return
      } else {
        log.Printf("read %d bytes, data=%s\n", nRead, readBuf[:nRead])
      }
    }
  }
}

测试

为了能够在Linux下运行代码，可以在机器上安装docker，在容器里跑。docker官方提供了 golang:1.19 镜像，GOPATH 是 /go，我们直接用这个，并把本机的目录映射进去：

# 删除之前的容器，如果有
docker rm -f go_app

# 启动容器
docker run -d \
  --mount type=bind,source=$HOME/go/src,target=/go/src \
  --workdir /go/src/github.com/ \
  --name go_app \
  --restart always \
  golang:1.19 \
  sleep infinity

# 进入容器的命令行
docker exec -it go_app bash

# cd echo_server directory
go run main.go

Golang镜像不提供 netstat vim 等命令，需要手动在容器里安装 net-tools 和 vim：

# 查看linux发行版
cat /etc/issue

# 替换成阿里云 debian 11 的源
# https://developer.aliyun.com/mirror/debian/
cat > /etc/apt/sources.list << EOF \
deb https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye main non-free contrib \
deb-src https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye main non-free contrib \
deb https://mirrors.aliyun.com/debian-security/ bullseye-security main \
deb-src https://mirrors.aliyun.com/debian-security/ bullseye-security main \
deb https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye-updates main non-free contrib \
deb-src https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye-updates main non-free contrib \
deb https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye-backports main non-free contrib \
deb-src https://mirrors.aliyun.com/debian/ bullseye-backports main non-free contrib \
EOF

apt update
apt install -y net-tools vim man

一个观察

关于四次挥手的一些观察：有client连接时，server关闭后，需要等待一段时间才能释放端口。这里挖个坑，后续可能不会填了。

下面是一个server和一个client的情况：

# netstat -anlop |grep 8080
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name     Timer
tcp        0      0 0.0.0.0:8080            0.0.0.0:*               LISTEN      1784/main            off (0.00/0/0)
tcp        0      0 127.0.0.1:34132         127.0.0.1:8080          ESTABLISHED 1856/main            off (0.00/0/0)
tcp        0      0 127.0.0.1:8080          127.0.0.1:34132         ESTABLISHED 1784/main            off (0.00/0/0)

Ctrl+C 关掉server，netstat 返回这样的结果：

# netstat -anlop |grep 8080
tcp        1      0 127.0.0.1:34132         127.0.0.1:8080          CLOSE_WAIT  1856/main            off (0.00/0/0)
tcp        0      0 127.0.0.1:8080          127.0.0.1:34132         FIN_WAIT2   -                    timewait (33.07/0/0)

短时间内再次启动server, bind时会报错 address already in use。再等一段时间，client端自动断开，server才能启动:

# netstat -anlop |grep 8080
tcp        1      0 127.0.0.1:34132         127.0.0.1:8080          CLOSE_WAIT  1856/main            off (0.00/0/0)

网页题目：GoBIO/NIO探讨：基于系统调用实现TcpEchoServer
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