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Go语言TCP Socket编程

十一月 17, 2015
44 条评论

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。

一、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(c net.Conn) {
    defer c.Close()
    for {
        // read from the connection
        // ... ...
        // write to the connection
        //... ...
    }
}

func main() {
    l, err := net.Listen("tcp", ":8888")
    if err != nil {
        fmt.Println("listen error:", err)
        return
    }

    for {
        c, err := l.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println("accept error:", err)
            break
        }
        // start a new goroutine to handle
        // the new connection.
        go handleConn(c)
    }
}

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。

二、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DialTimeout进行连接建立：

阻塞Dial：

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

或是带上超时机制的Dial：

conn, err := net.DialTimeout("tcp", ":8080", 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
2015/11/16 14:37:41 begin dial...
2015/11/16 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
2015/11/16 21:55:44 1 :connect to server ok
2015/11/16 21:55:44 2 :connect to server ok
2015/11/16 21:55:44 3 :connect to server ok
... ...

2015/11/16 21:55:44 126 :connect to server ok
2015/11/16 21:55:44 127 :connect to server ok
2015/11/16 21:55:44 128 :connect to server ok

2015/11/16 21:55:52 129 :connect to server ok
2015/11/16 21:56:03 130 :connect to server ok
2015/11/16 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：

$sysctl -a|grep kern.ipc.somaxconn
kern.ipc.somaxconn: 128

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：

2015/11/16 22:03:31 128 :connect to server ok
2015/11/16 22:04:48 129: dial error: dial tcp :8888: getsockopt: operation timed out

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（需要模拟一个延迟较大的网络环境）：

$go run client3.go
2015/11/17 09:28:34 begin dial...
2015/11/17 09:28:36 dial error: dial tcp 104.236.176.96:80: i/o timeout

三、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
}

下面我们先来通过几个场景来总结一下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。

Client端：

//go-tcpsock/read_write/client2.go
... ...
func main() {
    if len(os.Args) <= 1 {
        fmt.Println("usage: go run client2.go YOUR_CONTENT")
        return
    }
    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")

    time.Sleep(time.Second * 2)
    data := os.Args[1]
    conn.Write([]byte(data))

    time.Sleep(time.Second * 10000)
}

Server端：

//go-tcpsock/read_write/server2.go
... ...
func handleConn(c net.Conn) {
    defer c.Close()
    for {
        // 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)
            return
        }
        log.Printf("read %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))
    }
}
... ...

我们通过client2.go发送”hi”到Server端：
运行结果:

$go run client2.go hi
2015/11/17 13:30:53 begin dial...
2015/11/17 13:30:53 dial ok

$go run server2.go
2015/11/17 13:33:45 accept a new connection
2015/11/17 13:33:45 start to read from conn
2015/11/17 13:33:47 read 2 bytes, content is hi
...

Client向socket中写入两个字节数据(“hi”)，Server端创建一个len = 10的slice，等待Read将读取的数据放入slice；Server随后读取到那两个字节：”hi”。Read成功返回，n =2 ，err = nil。

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。

我们通过client2.go向Server2发送如下内容：abcdefghij12345，执行结果如下：

$go run client2.go abcdefghij12345
2015/11/17 13:38:00 begin dial...
2015/11/17 13:38:00 dial ok

$go run server2.go
2015/11/17 13:38:00 accept a new connection
2015/11/17 13:38:00 start to read from conn
2015/11/17 13:38:02 read 10 bytes, content is abcdefghij
2015/11/17 13:38:02 start to read from conn
2015/11/17 13:38:02 read 5 bytes, content is 12345

client端发送的内容长度为15个字节，Server端Read buffer的长度为10，因此Server Read第一次返回时只会读取10个字节；Socket中还剩余5个字节数据，Server再次Read时会把剩余数据读出（如：情形2）。

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，我们在go-tcpsock/read_write/client3.go和server3.go中模拟这种情况：

$go run client3.go hello
2015/11/17 13:50:57 begin dial...
2015/11/17 13:50:57 dial ok

$go run server3.go
2015/11/17 13:50:57 accept a new connection
2015/11/17 13:51:07 start to read from conn
2015/11/17 13:51:07 read 5 bytes, content is hello
2015/11/17 13:51:17 start to read from conn
2015/11/17 13:51:17 conn read error: EOF

从输出结果来看，当client端close socket退出后，server3依旧没有开始Read，10s后第一次Read成功读出了5个字节的数据，当第二次Read时，由于client端 socket关闭，Read返回EOF error。

通过上面这个例子，我们也可以猜测出“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？这个实验比较难于模拟，下面的测试结果也未必能反映出所有可能结果。我们编写了client4.go和server4.go来模拟这一情形。

//go-tcpsock/read_write/client4.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")

    data := make([]byte, 65536)
    conn.Write(data)

    time.Sleep(time.Second * 10000)
}

//go-tcpsock/read_write/server4.go
... ...
func handleConn(c net.Conn) {
    defer c.Close()
    for {
        // read from the connection
        time.Sleep(10 * time.Second)
        var buf = make([]byte, 65536)
        log.Println("start to read from conn")
        c.SetReadDeadline(time.Now().Add(time.Microsecond * 10))
        n, err := c.Read(buf)
        if err != nil {
            log.Printf("conn read %d bytes,  error: %s", n, err)
            if nerr, ok := err.(net.Error); ok && nerr.Timeout() {
                continue
            }
            return
        }
        log.Printf("read %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))
    }
}

在Server端我们通过Conn的SetReadDeadline方法设置了10微秒的读超时时间，Server的执行结果如下：

$go run server4.go

2015/11/17 14:21:17 accept a new connection
2015/11/17 14:21:27 start to read from conn
2015/11/17 14:21:27 conn read 0 bytes,  error: read tcp 127.0.0.1:8888->127.0.0.1:60970: i/o timeout
2015/11/17 14:21:37 start to read from conn
2015/11/17 14:21:37 read 65536 bytes, content is

虽然每次都是10微秒超时，但结果不同，第一次Read超时，读出数据长度为0；第二次读取所有数据成功，没有超时。反复执行了多次，没能出现“读出部分数据且返回超时错误”的情况。

和读相比，Write遇到的情形一样不少，我们也逐一看一下。

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。我们来看一个例子：client5.go和server.go。

//go-tcpsock/read_write/client5.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")

    data := make([]byte, 65536)
    var total int
    for {
        n, err := conn.Write(data)
        if err != nil {
            total += n
            log.Printf("write %d bytes, error:%s\n", n, err)
            break
        }
        total += n
        log.Printf("write %d bytes this time, %d bytes in total\n", n, total)
    }

    log.Printf("write %d bytes in total\n", total)
    time.Sleep(time.Second * 10000)
}

//go-tcpsock/read_write/server5.go
... ...
func handleConn(c net.Conn) {
    defer c.Close()
    time.Sleep(time.Second * 10)
    for {
        // read from the connection
        time.Sleep(5 * time.Second)
        var buf = make([]byte, 60000)
        log.Println("start to read from conn")
        n, err := c.Read(buf)
        if err != nil {
            log.Printf("conn read %d bytes,  error: %s", n, err)
            if nerr, ok := err.(net.Error); ok && nerr.Timeout() {
                continue
            }
        }

        log.Printf("read %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))
    }
}
... ...

Server5在前10s中并不Read数据，因此当client5一直尝试写入时，写到一定量后就会发生阻塞：

$go run client5.go

2015/11/17 14:57:33 begin dial...
2015/11/17 14:57:33 dial ok
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 65536 bytes in total
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 131072 bytes in total
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 196608 bytes in total
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 262144 bytes in total
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 327680 bytes in total
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 393216 bytes in total
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 458752 bytes in total
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 524288 bytes in total
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 589824 bytes in total
2015/11/17 14:57:33 write 65536 bytes this time, 655360 bytes in total

在Darwin上，这个size大约在679468bytes。后续当server5每隔5s进行Read时，OS socket缓冲区腾出了空间，client5就又可以写入了：

$go run server5.go
2015/11/17 15:07:01 accept a new connection
2015/11/17 15:07:16 start to read from conn
2015/11/17 15:07:16 read 60000 bytes, content is
2015/11/17 15:07:21 start to read from conn
2015/11/17 15:07:21 read 60000 bytes, content is
2015/11/17 15:07:26 start to read from conn
2015/11/17 15:07:26 read 60000 bytes, content is
....

client端：

2015/11/17 15:07:01 write 65536 bytes this time, 720896 bytes in total
2015/11/17 15:07:06 write 65536 bytes this time, 786432 bytes in total
2015/11/17 15:07:16 write 65536 bytes this time, 851968 bytes in total
2015/11/17 15:07:16 write 65536 bytes this time, 917504 bytes in total
2015/11/17 15:07:27 write 65536 bytes this time, 983040 bytes in total
2015/11/17 15:07:27 write 65536 bytes this time, 1048576 bytes in total
.... ...

3、写入部分数据

Write操作存在写入部分数据的情况，比如上面例子中，当client端输出日志停留在“write 65536 bytes this time, 655360 bytes in total”时，我们杀掉server5，这时我们会看到client5输出以下日志：

...
2015/11/17 15:19:14 write 65536 bytes this time, 655360 bytes in total
2015/11/17 15:19:16 write 24108 bytes, error:write tcp 127.0.0.1:62245->127.0.0.1:8888: write: broken pipe
2015/11/17 15:19:16 write 679468 bytes in total

显然Write并非在655360这个地方阻塞的，而是后续又写入24108后发生了阻塞，server端socket关闭后，我们看到Wrote返回er != nil且n = 24108，程序需要对这部分写入的24108字节做特定处理。

4、写入超时

如果非要给Write增加一个期限，那我们可以调用SetWriteDeadline方法。我们copy一份client5.go，形成client6.go，在client6.go的Write之前增加一行timeout设置代码：

conn.SetWriteDeadline(time.Now().Add(time.Microsecond * 10))

启动server6.go，启动client6.go，我们可以看到写入超时的情况下，Write的返回结果：

$go run client6.go
2015/11/17 15:26:34 begin dial...
2015/11/17 15:26:34 dial ok
2015/11/17 15:26:34 write 65536 bytes this time, 65536 bytes in total
... ...
2015/11/17 15:26:34 write 65536 bytes this time, 655360 bytes in total
2015/11/17 15:26:34 write 24108 bytes, error:write tcp 127.0.0.1:62325->127.0.0.1:8888: i/o timeout
2015/11/17 15:26:34 write 679468 bytes in total

可以看到在写入超时时，依旧存在部分数据写入的情况。

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。

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。不过conn读写是否goroutine-safe的测试不是很好做，我们先深入一下runtime代码，先从理论上给这个问题定个性：

net.conn只是*netFD的wrapper结构，最终Write和Read都会落在其中的fd上：

type conn struct {
    fd *netFD
}

netFD在不同平台上有着不同的实现，我们以net/fd_unix.go中的netFD为例：

// 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
}

我们看到netFD中包含了一个runtime实现的fdMutex类型字段，从注释上来看，该fdMutex用来串行化对该netFD对应的sysfd的Write和Read操作。从这个注释上来看，所有对conn的Read和Write操作都是有fdMutex互斥的，从netFD的Read和Write方法的实现也证实了这一点：

func (fd *netFD) Read(p []byte) (n int, err error) {
    if err := fd.readLock(); err != nil {
        return 0, err
    }
    defer fd.readUnlock()
    if err := fd.pd.PrepareRead(); err != nil {
        return 0, err
    }
    for {
        n, err = syscall.Read(fd.sysfd, p)
        if err != nil {
            n = 0
            if err == syscall.EAGAIN {
                if err = fd.pd.WaitRead(); err == nil {
                    continue
                }
            }
        }
        err = fd.eofError(n, err)
        break
    }
    if _, ok := err.(syscall.Errno); ok {
        err = os.NewSyscallError("read", err)
    }
    return
}

func (fd *netFD) Write(p []byte) (nn int, err error) {
    if err := fd.writeLock(); err != nil {
        return 0, err
    }
    defer fd.writeUnlock()
    if err := fd.pd.PrepareWrite(); err != nil {
        return 0, err
    }
    for {
        var n int
        n, err = syscall.Write(fd.sysfd, p[nn:])
        if n > 0 {
            nn += n
        }
        if nn == len(p) {
            break
        }
        if err == syscall.EAGAIN {
            if err = fd.pd.WaitWrite(); err == nil {
                continue
            }
        }
        if err != nil {
            break
        }
        if n == 0 {
            err = io.ErrUnexpectedEOF
            break
        }
    }
    if _, ok := err.(syscall.Errno); ok {
        err = os.NewSyscallError("write", err)
    }
    return nn, err
}

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”。

四、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 := c.(*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。

五、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]))
    }
}
... ...

上述例子的执行结果如下：

$go run server1.go
2015/11/17 17:00:51 accept a new connection
2015/11/17 17:00:51 start to read from conn
2015/11/17 17:00:51 conn read error: EOF
2015/11/17 17:00:51 write 10 bytes, content is

$go run client1.go
2015/11/17 17:00:51 begin dial...
2015/11/17 17:00:51 close ok
2015/11/17 17:00:51 read error: read tcp 127.0.0.1:64195->127.0.0.1:8888: use of closed network connection
2015/11/17 17:00:51 write error: write tcp 127.0.0.1:64195->127.0.0.1:8888: use of closed network connection

从client1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server1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。

六、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。

本文代码实验环境：go 1.5.1 on Darwin amd64以及部分在ubuntu 14.04 amd64。

本文demo代码在这里可以找到。

为阻塞型函数调用添加超时机制

十月 25, 2013
2 条评论

我们产品中的一个子模块在进行Oracle实时数据库查询时，常常因数据库性能波动或异常而被阻塞在OCI API的调用上，为此我们付出了“惨痛”的代价。说来说去还是我们的程序设计的不够完善，在此类阻塞型函数调用方面缺少微小粒度的超时机制。

调用阻塞多发生在I/O操作（磁盘、网络、低速设备）、第三方API调用等方面。对于文件/网络I/O操作，我们可利用在非阻塞文件描述符上select /poll的超时机制来替代针对阻塞型文件描述符的系统调用；但在第三方API方面，多数时候是无法用select/poll来进行超时的，我们可以选择另外一种方法：利用setjmp和longjmp的非局部跳转机制来为特定阻塞调用添加超时机制。其原理大致是：利用定时器(alarm、setitimer)设置超时时间，在SIGALRM的handler中利用longjmp跳到阻塞型调用之前，达到超时跳出阻塞型函数调用的效果。同时这种方法通用性更好些。

这个机制实现起来并不难，但有些细节还是要考虑周全，否则很容易出错。我们的产品是需要运行在Linux和Solaris两个平台下的，因此机制的实现还要考虑移植性的问题。下面简要说说在实现这一机制过程中出现的一些问题与解决方法。

一、第一版

考虑到阻塞型函数的原型各不相同，且我们的产品中对阻塞调用有重试次数的要求，因此打算将这个机制包装成一个宏，大致是这个模样：

#define add_timeout_to_func(func, n, interval, ret, …) \…

其中func是函数名；n是重试的次数；interval是超时的时间，单位是秒；ret是函数成功调用后的返回值，若失败，也是这个宏的返回值。

我们可以像下面这样使用这个宏：

/* example.c */
int
main()
{
#define MAXLINE 1024
char line[MAXLINE];

    int ret = 0;
    int try_times = 3;
    int interval = 1000;
    add_timeout_to_func(read, try_times, interval, ret, STDIN_FILENO, line, MAXLINE);
    if (ret == E_CALL_TIMEOUT) {
        printf("invoke read timeouts for 3 times\n");
        return -1;
    } else if (ret == 0) {
        printf("invoke read ok\n");
        return 0;
    } else {
        printf("add_timeout_to_func error = %d\n", ret);
    }
}

add_timeout_to_func中为阻塞型函数添加的超时机制是利用setjmp/longjmp与信号的处理函数合作完成的。

/* timeout_wrapper.h */

#include <setjmp.h>
#include <stdarg.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

extern volatile int invoke_count;
extern jmp_buf invoke_env;

void timeout_signal_handler(int sig);
typedef void (*sighandler_t)(int);
#define E_CALL_TIMEOUT (-9)

#define add_timeout_to_func(func, n, interval, ret, ...) \
    { \
        invoke_count = 0; \
        sighandler_t h = signal(SIGALRM, timeout_signal_handler); \
        if (h == SIG_ERR) { \
            ret = errno; \
            goto end; \
        }  \
\
        if (sigjmp(invoke_env) != 0) { \
            if (invoke_count >= n) { \
                ret = E_CALL_TIMEOUT; \
                goto err; \
            } \
        } \
\
        alarm(interval);\
        ret = func(__VA_ARGS__);\
        alarm(0); \
err:\
        signal(SIGALRM, h);\
end:\
        ;\
    }

/* timeout_wrapper.c */
#include "timeout_wrapper.h"

volatile int invoke_count = 0;
jmp_buf invoke_env;

void
timeout_signal_handler(int sig)
{
invoke_count++;
longjmp(invoke_env, 1);
}

编译运行这个程序，分别在Solaris、Linux下运行，遗憾的是两个平台下都以失败告终。

先说一下在Linux下的情况。在Linux下，程序居然不响应第二次SIGALRM信号了。通过strace也可以看出，当alarm被第二次调用后，系统便阻塞在了read上，没有实现为read增加超时机制的目的。原因何在呢？我在《The Linux Programming Interface》一书中找到了原因。原因大致是这样的，我们按照代码的执行流程来分析：

* add_timeout_to_func宏首先设置了信号的handler，保存了env信息(setjmp)，调用alarm设置定时器，然后阻塞在read调用上；
* 1s后，定时器信号SIGALRM产生，中断发生，代码进入信号处理程序，即timeout_signal_handler; Linux上的实现是当进入处理程序时，内核会自动屏蔽对应的信号(SIGALRM)以及此时act.sa_mask字段中的所有信号；在离开 handler后，内核取消这些信号的屏蔽。
* 问题在于我们是通过longjmp调用离开handler的，longjmp对应的invoke_env是否在setjmp时保存了这些被屏蔽的信号呢？答案是：在Linux上没有。这样longjmp跳到setjmp后也就无法恢复对SIGALRM的屏蔽；当再次产生SIGALRM信号时，程序将无法处理，也就一直阻塞在read调用上了。

解决方法：将setjmp/longjmp替换为sigsetjmp和siglongjmp，后面这组调用在sigsetjmp时保存了屏蔽信号，这样在 siglongjmp返回时可以恢复到handler之前的信号屏蔽集合，也就是说SIGALRM恢复自由了。在Solaris 下，setjmp/longjmp是可以恢复被屏蔽的信号的。

再说说在Solaris下的情况。在Solaris下，程序在第二次SIGALRM到来之际，居然退出了，终端上显示：“闹钟信号”。这是因为在 Solaris下，通过signal函数设置信号的处理handler仅是一次性的。在应对完一次信号处理后，信号的handler被自动恢复到之前的处理策略设置，对于SIGALRM来说，也就是程序退出。解决办法：通过多次调用signal设置handler或通过sigaction来长效设置 handler。考虑到移植性和简单性，我们选择了sigaction。在Linux平台下，signal函数底层就是用sigaction实现的，是简洁版的sigaction，因此它的设置不是一次性的，而是长效的。

二、第二版

综上问题的修改，我们有了第二版代码。

/* timeout_wrapper.h */

extern volatile int invoke_count;
extern sigjmp_buf invoke_env;

void timeout_signal_handler(int sig);
typedef void sigfunc(int sig);
sigfunc *my_signal(int signo, sigfunc* func);
#define E_CALL_TIMEOUT (-9)

/* timeout_wrapper.c */

volatile int invoke_count = 0;
sigjmp_buf invoke_env;

void
timeout_signal_handler(int sig)
{
invoke_count++;
siglongjmp(invoke_env, 1);
}

sigfunc *
my_signal(int signo, sigfunc *func)
{
struct sigaction act, oact;

    act.sa_handler = func;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    if (signo == SIGALRM) {
#ifdef SA_INTERRUPT
        act.sa_flags |= SA_INTERRUPT;
#endif
    } else {
#ifdef SA_RESTART
        act.sa_flags |= SA_RESTART;
#endif
    }
    if (sigaction(signo, &act, &oact) < 0)
        return SIG_ERR;
    return oact.sa_handler;
}

这里从《Unix高级环境编程》中借了一段代码，就是那段my_signal的实现。这样修改后，程序在Linux和Solaris下工作都蛮好的。但目前唯一的缺点就是超时时间粒度太大，alarm仅支持秒级定时器，我们至少要支持毫秒级，接下来我们要换掉alarm。

三、第三版

setitimer与alarm是同出一门，共享一个定时器的。不同的是setitimer可以支持到微秒级的粒度，因此我们就用setitimer替换alarm，第三版仅改动了add_timeout_to_func这个宏：

#define add_timeout_to_func(func, n, interval, ret, …) \
    { \
        invoke_count = 0; \
        sigfunc *sf = my_signal(SIGALRM, timeout_signal_handler); \
        if (sf == SIG_ERR) { \
            ret = errno; \
            goto end; \
        } \
\
        if (sigsetjmp(invoke_env, SIGALRM) != 0) { \
            if (invoke_count >= n) { \
                ret = E_CALL_TIMEOUT; \
                goto err; \
            } \
        } \
\
        struct itimerval tick; \
        struct itimerval oldtick; \
        tick.it_value.tv_sec = interval/1000; \
        tick.it_value.tv_usec = (interval%1000) * 1000; \
        tick.it_interval.tv_sec = interval/1000; \
        tick.it_interval.tv_usec = (interval%1000) * 1000; \
\
        if (setitimer(ITIMER_REAL, &tick, &oldtick) < 0) { \
            ret = errno; \
            goto err; \
        } \
\
        ret = func(__VA_ARGS__);\
        setitimer(ITIMER_REAL, &oldtick, NULL); \
err:\
        my_signal(SIGALRM, sf); \
end:\
        ;\
    }