Http | Tony Bai

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http.Client的连接行为控制详解

四月 2, 2021
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1. http包默认客户端

Go语言以“自带电池”闻名，很多开发者对Go自带的功能丰富的标准库喜爱有加。而在Go标准库中，net/http包又是最受欢迎和最常用的包之一，我们用几行代码就能生成一个支持大并发、性能中上的http server。而http.Client也是用途最为广泛的http客户端，其性能也可以满足多数情况下的需求。知名女gopherJaana Dogan开源的类apache ab的http性能测试工具hey也是直接使用的http.Client，而没有用一些性能更好的第三方库（比如：fasthttp)。

使用http包实现http客户端的最简单方法如下(来自http包的官方文档)：

resp, err := http.Get("http://example.com/")
...
resp, err := http.Post("http://example.com/upload", "image/jpeg", &buf)
...

注：别忘了在Get或Post成功后，调用defer resp.Body.Close()。

在http包的Get和Post函数背后，真正完成http客户端操作的是http包原生内置的DefaultClient：

// $GOROOT/src/net/http/client.go
// DefaultClient is the default Client and is used by Get, Head, and Post.
var DefaultClient = &Client{}

下面是一个使用DefaultClient的例子，我们先来创建一个特殊的http server：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/http-client/default-client/server.go

package main

import (
    "log"
    "net/http"
    "time"
)

func Index(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    log.Println("receive a request from:", r.RemoteAddr, r.Header)
    time.Sleep(10 * time.Second)
    w.Write([]byte("ok"))
}

func main() {
    var s = http.Server{
        Addr:    ":8080",
        Handler: http.HandlerFunc(Index),
    }
    s.ListenAndServe()
}

我们看到这个http server的“不同之处”在于它不急于回复http应答，而是在接收请求10秒后再回复应答。下面是我们的http client端的代码：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/http-client/default-client/client.go

package main

import (
    "fmt"
    "io"
    "net/http"
    "sync"
)

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(256)
    for i := 0; i < 256; i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            resp, err := http.Get("http://localhost:8080")
            if err != nil {
                panic(err)
            }
            defer resp.Body.Close()
            body, err := io.ReadAll(resp.Body)
            fmt.Println(string(body))
        }()
    }
    wg.Wait()
}

上面的客户端创建了256个goroutine，每个goroutine向server建立一条连接，我们先启动server，然后再运行一下上面的这个客户端程序：

$go run server.go
$$go run client.go
panic: Get "http://localhost:8080": dial tcp [::1]:8080: socket: too many open files

goroutine 25 [running]:
main.main.func1(0xc000128280)
    /Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/http-client/default-client/client.go:18 +0x1c7
created by main.main
    /Users/tonybai/Go/src/github.com/bigwhite/experiments/http-client/default-client/client.go:14 +0x78
exit status 2

我们看到上面的客户端抛出了一个panic，提示：打开文件描述符过多。

上面演示环境的ulimit -n的值为256

我们用一幅示意图来描述上面例子中的情况：

尽管根据《通过实例理解Go标准库http包是如何处理keep-alive连接的》一文我们知道，默认情况下，http客户端是会保持连接并复用到同一主机的服务的连接的。但由于上述示例中server的延迟10s回应答的上下文，客户端在默认情况下不会等待应答回来，而是尝试建立新的连接去发送新的http请求。由于示例运行环境最大允许每个进程打开256个文件描述符，因此在客户端后期向服务端建立连接时，就会出现“socket: too many open files”的错误。

2. 定义在小范围应用的http客户端实例

那么我们该如何控制客户端的行为以避免在资源受限的上下文情况下完成客户端的发送任务呢？我们通过设置http.DefaultClient的相关属性来实现这一点，但DefaultClient是包级变量，在整个程序中是共享的，一旦修改其属性，其他使用http默认客户端的包也会受到影响。因此更好的方案是定义一个在小范围应用的http客户端实例。

代码：

resp, err := http.Get("http://example.com/")
...
resp, err := http.Post("http://example.com/upload", "image/jpeg", &buf)
...

等价于如下代码：

client := &http.Client{} // 自定义一个http客户端实例
resp, err := client.Get("http://example.com/")
...
resp, err := client.Post("http://example.com/upload", "image/jpeg", &buf)
...

不同的是我们自定义的http.Client实例的应用范围仅限于上述特定范围，不会对其他使用http默认客户端的包产生任何影响。不过此时我们自定义的http.Client实例client的行为与DefaultClient的无异，要想解决上面示例panic的问题，我们还需对自定义的新客户端实例做一进步行为定制。

3. 定制到某一host的最大连接数

上述示例的最大问题在于向server端建立的连接数不受控制，即便将每个进程可以打开的最大文件描述符个数调大，客户端还可能会遇到最大向外建立的65535个连接的极限瓶颈(客户端socket端口用尽)，因此一个严谨的客户端需要设置到某个host的最大连接数限制。

那么，http.Client是如何控制到某个host的最大连接数的呢？http包的Client结构如下：

//$GOROOT/src/net/http/client.go

type Client struct {
        // Transport specifies the mechanism by which individual
        // HTTP requests are made.
        // If nil, DefaultTransport is used.
        Transport RoundTripper

    CheckRedirect func(req *Request, via []*Request) error
    Jar CookieJar
    Timeout time.Duration

Client结构体一共四个字段，能控制Client连接行为的是Transport字段。如果Transport的值为nil，那么Client的连接行为遵守DefaultTransport的设置：

// $GOROOT/src/net/http/transport.go

var DefaultTransport RoundTripper = &Transport{
        Proxy: ProxyFromEnvironment,
        DialContext: (&net.Dialer{
                Timeout:   30 * time.Second,
                KeepAlive: 30 * time.Second,
        }).DialContext,
        ForceAttemptHTTP2:     true,
        MaxIdleConns:          100,
        IdleConnTimeout:       90 * time.Second,
        TLSHandshakeTimeout:   10 * time.Second,
        ExpectContinueTimeout: 1 * time.Second,
}

不过在这份DefaultTransport的“配置”中，并没有有关向某个host建立最大连接数的设置，因为在Transport结构体中，起到这个作用的字段是MaxConnsPerHost：

// $GOROOT/src/net/http/transport.go

type Transport struct {
    ... ...

    // MaxConnsPerHost optionally limits the total number of
        // connections per host, including connections in the dialing,
        // active, and idle states. On limit violation, dials will block.
        //
        // Zero means no limit.
        MaxConnsPerHost int
    ... ...
}

我们来改造一下上面的示例：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/http-client/client-with-maxconnsperhost/client.go

package main

import (
    "fmt"
    "io"
    "net/http"
    "sync"
)

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(256)
    tr := &http.Transport{
        MaxConnsPerHost: 5,
    }
    client := http.Client{
        Transport: tr,
    }
    for i := 0; i < 256; i++ {
        go func(i int) {
            defer wg.Done()
            resp, err := client.Get("http://localhost:8080")
            if err != nil {
                panic(err)
            }
            defer resp.Body.Close()
            body, err := io.ReadAll(resp.Body)
            fmt.Printf("g-%d: %s\n", i, string(body))
        }(i)
    }
    wg.Wait()
}

上面的代码不再使用DefaultClient，而是自定义了一个新Client实例，并设置该实例的Transport字段为我们新建的设置了MaxConsPerHost字段的Transport实例。将server启动，并执行上面client.go，我们从server端看到如下结果：

$go run server.go

receive a request from: [::1]:63677 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63675 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63676 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63673 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63674 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:63673 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63675 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63674 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63676 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63677 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:63677 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63674 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63676 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63675 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:63673 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

我们看到：客户端一共向server端建立了5条连接(客户端端口号从63673到63677)，并且每隔10s，客户端复用这5条连接发送下一批请求。

http.Transport维护了到每个server host的计数器connsPerHost和请求等待队列：

// $GOROOT/src/net/http/transport.go
type Transport struct {
    ... ...
        connsPerHostMu   sync.Mutex
        connsPerHost     map[connectMethodKey]int
        connsPerHostWait map[connectMethodKey]wantConnQueue // waiting getConns
    ... ...
}

Transport结构体使用了一个connectMethodKey结构作为key：

// $GOROOT/src/net/http/transport.go
type connectMethodKey struct {
        proxy, scheme, addr string
        onlyH1              bool
}

我们看到connectMethodKey使用一个四元组(proxy,scheme,addr, onlyH1)来唯一标识一个“host”。通常对一个Client实例而言，proxy，scheme和onlyH1都是相同的，不同的是addr(ip+port)，因此实际上也就是按addr区分host。我们同样用一幅示意图描示意一下这种情况：

4. 设定idle池的大小

不知道大家是否想到这点：当上面示例中的到某一个host的五个链接没那么繁忙时，依旧保持这个五个链接是不是有些浪费资源呢？至少占用着客户端端口以及服务端的文件描述符资源。我们是否能让客户端在闲时减少保持的到服务端的链接数量呢？我们可以通过Transport结构体类型中的MaxIdleConnsPerHost字段实现这一点。

其实如果你不显式设置MaxIdleConnsPerHost，http包也会使用其默认值(2)：

// $GOROOT/src/net/http/transport.go

// DefaultMaxIdleConnsPerHost is the default value of Transport's
// MaxIdleConnsPerHost.
const DefaultMaxIdleConnsPerHost = 2

我们用一个例子来验证http.Client的这一行为！

首先我们改变一下server端的行为，将原先的“等待10s”改为立即返回应答：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/http-client/client-with-maxidleconnsperhost/server.go

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
)

func Index(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    fmt.Println("receive a request from:", r.RemoteAddr, r.Header)
    w.Write([]byte("ok"))
}

func main() {
    var s = http.Server{
        Addr:    ":8080",
        Handler: http.HandlerFunc(Index),
    }
    s.ListenAndServe()
}

而对于client，我们需要精心设计一下：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/http-client/client-with-maxidleconnsperhost/client.go
     1  package main
     2
     3  import (
     4      "fmt"
     5      "io"
     6      "net/http"
     7      "sync"
     8      "time"
     9  )
    10
    11  func main() {
    12      var wg sync.WaitGroup
    13      wg.Add(5)
    14      tr := &http.Transport{
    15          MaxConnsPerHost:     5,
    16          MaxIdleConnsPerHost: 3,
    17      }
    18      client := http.Client{
    19          Transport: tr,
    20      }
    21      for i := 0; i < 5; i++ {
    22          go func(i int) {
    23              defer wg.Done()
    24              resp, err := client.Get("http://localhost:8080")
    25              if err != nil {
    26                  panic(err)
    27              }
    28              defer resp.Body.Close()
    29              body, err := io.ReadAll(resp.Body)
    30              fmt.Printf("g-%d: %s\n", i, string(body))
    31          }(i)
    32      }
    33      wg.Wait()
    34
    35      time.Sleep(10 * time.Second)
    36
    37      wg.Add(5)
    38      for i := 0; i < 5; i++ {
    39          go func(i int) {
    40              defer wg.Done()
    41
    42              for i := 0; i < 100; i++ {
    43                  resp, err := client.Get("http://localhost:8080")
    44                  if err != nil {
    45                      panic(err)
    46                  }
    47                  defer resp.Body.Close()
    48                  body, err := io.ReadAll(resp.Body)
    49                  fmt.Printf("g-%d: %s\n", i+10, string(body))
    50                  time.Sleep(time.Second)
    51              }
    52          }(i)
    53      }
    54      wg.Wait()
    55  }

我们首先制造一次忙碌的发送行为(21~32行)，使得client端建满5个连接；然后等待10s，即让client闲下来；之后再建立5个groutine，以每秒一条的速度向server端发送请求(不忙的节奏)，我们来看看程序运行后服务端的输出：

$go run server.go
receive a request from: [::1]:56244 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56246 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56242 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56243 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56245 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:56242 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56243 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56244 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56242 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56244 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:56243 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56242 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56244 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56243 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56244 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:56244 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56242 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56243 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56244 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56243 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:56244 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56242 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56243 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56244 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:56243 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

... ...

我们来分析一下：
- 第一部分的五行输出是“忙时”client端建立的5条不同的连接，客户端端口号从56242到56246；
- 第二部分的五行输出是“非忙时”client利用idle池中的连接发送的请求，关键点就在于这5个请求的源端口号：56242、56243和56244，五个请求使用了三个早已建立好的alive的连接；
- 后面的几部分使用的也是这三个早已建立好的alive的连接。

这就是MaxIdleConnsPerHost的作用：最初“忙时”建立的5条连接，在client进入闲时时要进入idle状态。但MaxIdleConnsPerHost的值为3，也就是说只有3条连接可以进入idle池，而另外两个会被close掉。于是源端口号为56242、56243和56244的三条连接被保留了下来。

下面是这节例子的示意图：

Transport结构体还有一个字段与idle池有关，那就是MaxIdleConns，不同于MaxIdleConnsPerHost只针对某个host，MaxIdleConns是针对整个Client的所有idle池中的连接数的和，这个和不能超过MaxIdleConns。

5. 清理idle池中的连接

如果没有其他设定，那么一个Client到一个host在闲时至少会保持DefaultMaxIdleConnsPerHost个idle连接(前提是之前已经建立了2条或2条以上的连接)，但如果Client针对这个host一直就保持无流量的状态，那么idle池中的连接也是一种资源浪费。于是Transport又提供了IdleConnTimeout字段用于超时清理idle池中的长连接。下面的示例复用上面的server，但client.go改为如下形式：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/http-client/client-with-idleconntimeout/client.go

     1  package main
     2
     3  import (
     4      "fmt"
     5      "io"
     6      "net/http"
     7      "sync"
     8      "time"
     9  )
    10
    11  func main() {
    12      var wg sync.WaitGroup
    13      wg.Add(5)
    14      tr := &http.Transport{
    15          MaxConnsPerHost:     5,
    16          MaxIdleConnsPerHost: 3,
    17          IdleConnTimeout:     10 * time.Second,
    18      }
    19      client := http.Client{
    20          Transport: tr,
    21      }
    22      for i := 0; i < 5; i++ {
    23          go func(i int) {
    24              defer wg.Done()
    25              resp, err := client.Get("http://localhost:8080")
    26              if err != nil {
    27                  panic(err)
    28              }
    29              defer resp.Body.Close()
    30              body, err := io.ReadAll(resp.Body)
    31              fmt.Printf("g-%d: %s\n", i, string(body))
    32          }(i)
    33      }
    34      wg.Wait()
    35
    36      time.Sleep(5 * time.Second)
    37
    38      wg.Add(5)
    39      for i := 0; i < 5; i++ {
    40          go func(i int) {
    41              defer wg.Done()
    42              for i := 0; i < 2; i++ {
    43                  resp, err := client.Get("http://localhost:8080")
    44                  if err != nil {
    45                      panic(err)
    46                  }
    47                  defer resp.Body.Close()
    48                  body, err := io.ReadAll(resp.Body)
    49                  fmt.Printf("g-%d: %s\n", i+10, string(body))
    50                  time.Sleep(time.Second)
    51              }
    52          }(i)
    53      }
    54
    55      time.Sleep(15 * time.Second)
    56      wg.Add(5)
    57
    58      for i := 0; i < 5; i++ {
    59          go func(i int) {
    60              defer wg.Done()
    61              for i := 0; i < 100; i++ {
    62                  resp, err := client.Get("http://localhost:8080")
    63                  if err != nil {
    64                      panic(err)
    65                  }
    66                  defer resp.Body.Close()
    67                  body, err := io.ReadAll(resp.Body)
    68                  fmt.Printf("g-%d: %s\n", i+20, string(body))
    69                  time.Sleep(time.Second)
    70              }
    71          }(i)
    72      }
    73      wg.Wait()
    74  }

这个client.go代码分为三部分：首先和上个示例一样，我们首先制造一次忙碌的发送行为(22~33行)，使得client端建满5个连接；然后等待5s，即让client闲下来；之后再建立5个groutine，以每秒一条的速度向server端发送请求(不忙的节奏)；第三部分同样是先等待15s，然后创建5个goroutine分别以不忙的节奏向server端发送请求。我们来看看程序运行后服务端的输出：

$go run server.go

receive a request from: [::1]:52484 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52488 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52486 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52485 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52487 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:52487 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52488 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52484 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52484 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52487 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:52487 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52488 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52484 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52487 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52484 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:52542 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52544 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52545 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52543 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52546 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

receive a request from: [::1]:52542 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52544 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52545 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52542 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]
receive a request from: [::1]:52544 map[Accept-Encoding:[gzip] User-Agent:[Go-http-client/1.1]]

... ...

这里摘录5段输出。和预想的一样，第一段client向server建立了5条连接(客户端的端口号从52484~52487)；暂停5s后，新创建的5个goroutine通过idle池中的三条保持的连接向server发送请求(第二段和第三段，端口号:52484、52487、52488)；之后暂停15s，由于设置了IdleConnTimeout，idle池中的三条连接也被close掉了。这时再发送请求，client会重新建立连接（第四段，端口号52542~52546），最后一段则又开始通过idle池中的三条保持的连接向server发送请求了(端口号：52542、52544和52545)。

6. 其他控制项

如果觉得idle池超时清理依旧会占用“资源”一小会儿，那么可以利用Transport的DisableKeepAlives使得每个请求都创建一个新连接，即不复用keep-alive连接。当然这种控制设定在忙时导致的频繁建立新连接的损耗可是要比占用一些“资源”来的更大。示例可参考 github.com/bigwhite/experiments/blob/master/http-client/client-with-disablekeepalives，这里就不贴出来了。

另外像本文开始示例中server那样等待10s才回应答的行为可不是所有client端都能接受的，为了限定应答及时返回，client端可以设定等待应答的超时时间，如果超时，client将返回失败。http.Client结构中的Timeout可以实现这一特性。示例可参考 github.com/bigwhite/experiments/blob/master/http-client/client-with-timeout，这里同样不贴出来了。

本文涉及的代码可以在这里下载：https://github.com/bigwhite/experiments/blob/master/http-client。

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对Go 1.16 io/fs设计的第一感觉：得劲儿！

三月 23, 2021
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1. 设计io/fs的背景

Go语言的接口是Gopher最喜欢的语法元素之一，其隐式的契约满足和“当前唯一可用的泛型机制”的特质让其成为面向组合编程的强大武器，其存在为Go建立事物抽象奠定了基础，同时也是建立抽象的主要手段。

Go语言从诞生至今，最成功的接口定义之一就是io.Writer和io.Reader接口：

type Writer interface {
    Write(p []byte) (n int, err error)
}

type Reader interface {
    Read(p []byte) (n int, err error)
}

这两个接口建立了对数据源中的数据操作的良好的抽象，通过该抽象我们可以读或写满足这两个接口的任意数据源：

字符串

r := strings.NewReader("hello, go")
r.Read(...)

字节序列

r := bytes.NewReader([]byte("hello, go"))
r.Read(...)

文件内数据

f := os.Open("foo.txt") // f 满足io.Reader
f.Read(...)

网络socket

r, err :=  net.DialTCP("192.168.0.10", nil, raddr *TCPAddr) (*TCPConn, error)
r.Read(...)

构造HTTP请求

req, err := http.NewRequestWithContext(ctx, "POST", url, bytes.NewReader([]byte("hello, go"))

读取压缩文件内容

func main() {
    f, err := os.Open("hello.txt.gz")
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    zr, err := gzip.NewReader(f)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    if _, err := io.Copy(os.Stdout, zr); err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    if err := zr.Close(); err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
}

… …

能构架出io.Reader和Writer这样的抽象，与Go最初核心团队的深厚的Unix背景是密不可分的，这一抽象可能深受“在UNIX中，一切都是字节流”这一设计哲学的影响。

Unix还有一个设计哲学：一切都是文件，即在Unix中，任何有I/O的设备，无论是文件、socket、驱动等，在打开设备之后都有一个对应的文件描述符，Unix将对这些设备的操作简化在抽象的文件中了。用户只需要打开文件，将得到的文件描述符传给相应的操作函数，操作系统内核就知道如何根据这个文件描述符得到具体设备信息，内部隐藏了对各种设备进行读写的细节。

并且Unix还使用树型的结构将各种抽象的文件(数据文件、socket、磁盘驱动器、外接设备等)组织起来，通过文件路径对其进行访问，这样的一个树型结构构成了文件系统。

不过由于历史不知名的某个原因，Go语言并没有在标准库中内置对文件以及文件系统的抽象！我们知道如今的os.File是一个具体的结构体类型，而不是抽象类型：

// $GOROOT/src/os/types.go

// File represents an open file descriptor.
type File struct {
        *file // os specific
}

结构体os.File中唯一的字段file指针还是一个操作系统相关的类型，我们以os/file_unix.go为例，在unix中，file的定义如下：

// file is the real representation of *File.
// The extra level of indirection ensures that no clients of os
// can overwrite this data, which could cause the finalizer
// to close the wrong file descriptor.
type file struct {
        pfd         poll.FD
        name        string
        dirinfo     *dirInfo // nil unless directory being read
        nonblock    bool     // whether we set nonblocking mode
        stdoutOrErr bool     // whether this is stdout or stderr
        appendMode  bool     // whether file is opened for appending
}

Go语言之父Rob Pike对当初os.File没有被定义为interface而耿耿于怀：

不过就像Russ Cox在上述issue中的comment那样：“我想我会认为io.File应该是接口，但现在这一切都没有意义了”：

但在Go 1.16的embed文件功能设计过程中，Go核心团队以及参与讨论的Gopher们认为引入一个对File System和File的抽象，将会像上面的io.Reader和io.Writer那样对Go代码产生很大益处，同时也会给embed功能的实现带去便利！于是Rob Pike和Russ Cox亲自上阵完成了io/fs的设计。

2. 探索io/fs包

io/fs的加入也不是“临时起意”，早在很多年前的godoc实现时，对一个抽象的文件系统接口的需求就已经被提了出来并给出了实现：

最终这份实现以godoc工具的vfs包的形式一直长期存在着。虽然它的实现有些复杂，抽象程度不够，但却对io/fs包的设计有着重要的参考价值。

Go语言对文件系统与文件的抽象以io/fs中的FS接口类型和File类型落地，这两个接口的设计遵循了Go语言一贯秉持的“小接口原则”，并符合开闭设计原则(对扩展开放,对修改关闭)。

// $GOROOT/src/io/fs/fs.go
type FS interface {
        // Open opens the named file.
        //
        // When Open returns an error, it should be of type *PathError
        // with the Op field set to "open", the Path field set to name,
        // and the Err field describing the problem.
        //
        // Open should reject attempts to open names that do not satisfy
        // ValidPath(name), returning a *PathError with Err set to
        // ErrInvalid or ErrNotExist.
        Open(name string) (File, error)
}

// A File provides access to a single file.
// The File interface is the minimum implementation required of the file.
// A file may implement additional interfaces, such as
// ReadDirFile, ReaderAt, or Seeker, to provide additional or optimized functionality.
type File interface {
        Stat() (FileInfo, error)
        Read([]byte) (int, error)
        Close() error
}

FS接口代表虚拟文件系统的最小抽象，它仅包含一个Open方法；File接口则是虚拟文件的最小抽象，仅包含抽象文件所需的三个共同方法(不能再少了)。我们可以基于这两个接口通过Go常见的嵌入接口类型的方式进行扩展，就像io.ReadWriter是基于io.Reader的扩展那样。在这份设计提案中，作者还将这种方式命名为extension interface，即在一个基本接口类型的基础上，新增一到多个新方法以形成一个新接口。比如下面的基于FS接口的extension interface类型StatFS：

// A StatFS is a file system with a Stat method.
type StatFS interface {
        FS

        // Stat returns a FileInfo describing the file.
        // If there is an error, it should be of type *PathError.
        Stat(name string) (FileInfo, error)
}

对于File这个基本接口类型，fs包仅给出一个extension interface：ReadDirFile，即在File接口的基础上增加了一个ReadDir方法形成的，这种用扩展方法名+基础接口名来命名一个新接口类型的方式也是Go的惯用法。

对于FS接口，fs包给出了一些扩展FS的常见“新扩展接口”的样例：

以fs包的ReadDirFS接口为例：

// $GOROOT/src/io/fs/readdir.go
type ReadDirFS interface {
    FS

    // ReadDir reads the named directory
    // and returns a list of directory entries sorted by filename.
    ReadDir(name string) ([]DirEntry, error)
}

// ReadDir reads the named directory
// and returns a list of directory entries sorted by filename.
//
// If fs implements ReadDirFS, ReadDir calls fs.ReadDir.
// Otherwise ReadDir calls fs.Open and uses ReadDir and Close
// on the returned file.
func ReadDir(fsys FS, name string) ([]DirEntry, error) {
    if fsys, ok := fsys.(ReadDirFS); ok {
        return fsys.ReadDir(name)
    }

    file, err := fsys.Open(name)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    defer file.Close()

    dir, ok := file.(ReadDirFile)
    if !ok {
        return nil, &PathError{Op: "readdir", Path: name, Err: errors.New("not implemented")}
    }

    list, err := dir.ReadDir(-1)
    sort.Slice(list, func(i, j int) bool { return list[i].Name() < list[j].Name() })
    return list, err
}

我们看到伴随着ReadDirFS，标准库还提供了一个helper函数：ReadDir。该函数的第一个参数为FS接口类型的变量，在其内部实现中，ReadDir先通过类型断言判断传入的fsys是否实现了ReadDirFS，如果实现了，就直接调用其ReadDir方法；如果没有实现则给出了常规实现。其他几个FS的extension interface也都有自己的helper function，这也算是Go的一个惯例。如果你要实现你自己的FS的扩展，不要忘了这个惯例：给出伴随你的扩展接口的helper function。

标准库中一些涉及虚拟文件系统的包在Go 1.16版本中做了对io/fs的适配，比如：os、net/http、html/template、text/template、archive/zip等。

以http.FileServer为例，Go 1.16版本之前建立一个静态文件Server一般这么来写：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/fileserver_classic.go
package main

import "net/http"

func main() {
    http.ListenAndServe(":8080", http.FileServer(http.Dir(".")))
}

Go 1.16 http包对fs的FS和File接口做了适配后，我们可以这样写：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/fileserver_iofs.go
package main

import (
    "net/http"
    "os"
)

func main() {
    http.ListenAndServe(":8080", http.FileServer(http.FS(os.DirFS("./"))))
}

os包新增的DirFS函数返回一个fs.FS的实现：一个以传入dir为根的文件树构成的File System。

我们可以参考DirFS实现一个goFilesFS，该FS的实现仅返回以.go为后缀的文件：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gofilefs/gofilefs.go

package gfs

import (
    "io/fs"
    "os"
    "strings"
)

func GoFilesFS(dir string) fs.FS {
    return goFilesFS(dir)
}

type goFile struct {
    *os.File
}

func Open(name string) (*goFile, error) {
    f, err := os.Open(name)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    return &goFile{f}, nil
}

func (f goFile) ReadDir(count int) ([]fs.DirEntry, error) {
    entries, err := f.File.ReadDir(count)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    var newEntries []fs.DirEntry

    for _, entry := range entries {
        if !entry.IsDir() {
            ss := strings.Split(entry.Name(), ".")
            if ss[len(ss)-1] != "go" {
                continue
            }
        }
        newEntries = append(newEntries, entry)
    }
    return newEntries, nil
}

type goFilesFS string

func (dir goFilesFS) Open(name string) (fs.File, error) {
    f, err := Open(string(dir) + "/" + name)
    if err != nil {
        return nil, err // nil fs.File
    }
    return f, nil
}

上述GoFilesFS的实现中：

goFilesFS实现了io/fs的FS接口，而其Open方法返回的fs.File实例为我自定义的goFile结构；
goFile结构通过嵌入*os.File满足了io/fs的File接口；
我们重写goFile的ReadDir方法(覆盖os.File的同名方法)，在这个方法中我们过滤掉非.go后缀的文件。

有了GoFilesFS的实现后，我们就可以将其传给http.FileServer了：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/fileserver_gofilefs.go
package main

import (
    "net/http"

    gfs "github.com/bigwhite/testiofs/gofilefs"
)

func main() {
    http.ListenAndServe(":8080", http.FileServer(http.FS(gfs.GoFilesFS("./"))))
}

通过浏览器打开localhost:8080页面，我们就能看到仅由go源文件组成的文件树！

3. 使用io/fs提高代码可测性

抽象的接口意味着降低耦合，意味着代码可测试性的提升。Go 1.16增加了对文件系统和文件的抽象之后，我们以后再面对文件相关代码时，我们便可以利用io/fs提高这类代码的可测试性。

我们有这样的一个函数：

func FindGoFiles(dir string) ([]string, error)

该函数查找出dir下所有go源文件的路径并放在一个[]string中返回。我们可以很轻松的给出下面的第一版实现：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo1/gowalk.go

package demo

import (
    "os"
    "path/filepath"
    "strings"
)

func FindGoFiles(dir string) ([]string, error) {
    var goFiles []string
    err := filepath.Walk(dir, func(path string, info os.FileInfo, err error) error {
        if info.IsDir() {
            return nil
        }

        ss := strings.Split(path, ".")
        if ss[len(ss)-1] != "go" {
            return nil
        }

        goFiles = append(goFiles, path)
        return nil
    })
    if err != nil {
        return nil, err
    }

    return goFiles, nil
}

这一版的实现直接使用了filepath的Walk函数，它与os包是紧绑定的，即要想测试这个函数，我们需要在磁盘上真实的构造出一个文件树，就像下面这样：

$tree testdata
testdata
└── foo
    ├── 1
    │   └── 1.txt
    ├── 1.go
    ├── 2
    │   ├── 2.go
    │   └── 2.txt
    └── bar
        ├── 3
        │   └── 3.go
        └── 4.go

按照go惯例，我们将测试依赖的外部数据文件放在testdata下面。下面是针对上面函数的测试文件：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo1/gowalk_test.go
package demo

import (
    "testing"
)

func TestFindGoFiles(t *testing.T) {
    m := map[string]bool{
        "testdata/foo/1.go":       true,
        "testdata/foo/2/2.go":     true,
        "testdata/foo/bar/3/3.go": true,
        "testdata/foo/bar/4.go":   true,
    }

    files, err := FindGoFiles("testdata/foo")
    if err != nil {
        t.Errorf("want nil, actual %s", err)
    }

    if len(files) != 4 {
        t.Errorf("want 4, actual %d", len(files))
    }

    for _, f := range files {
        _, ok := m[f]
        if !ok {
            t.Errorf("want [%s], actual not found", f)
        }
    }
}

FindGoFiles函数的第一版设计显然可测性较差，需要对依赖特定布局的磁盘上的文件，虽然testdata也是作为源码提交到代码仓库中的。

有了io/fs包后，我们用FS接口来提升一下FindGoFiles函数的可测性，我们重新设计一下该函数：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo2/gowalk.go

package demo

import (
    "io/fs"
    "strings"
)

func FindGoFiles(dir string, fsys fs.FS) ([]string, error) {
    var newEntries []string
    err := fs.WalkDir(fsys, dir, func(path string, entry fs.DirEntry, err error) error {
        if entry == nil {
            return nil
        }

        if !entry.IsDir() {
            ss := strings.Split(entry.Name(), ".")
            if ss[len(ss)-1] != "go" {
                return nil
            }
            newEntries = append(newEntries, path)
        }
        return nil
    })

    if err != nil {
        return nil, err
    }

    return newEntries, nil
}

这次我们给FindGoFiles增加了一个fs.FS类型的参数fsys，这是解除掉该函数与具体FS实现的关键。当然demo1的测试方法同样适用于该版FindGoFiles函数：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo2/gowalk_test.go
package demo

import (
    "os"
    "testing"
)

func TestFindGoFiles(t *testing.T) {
    m := map[string]bool{
        "testdata/foo/1.go":       true,
        "testdata/foo/2/2.go":     true,
        "testdata/foo/bar/3/3.go": true,
        "testdata/foo/bar/4.go":   true,
    }

    files, err := FindGoFiles("testdata/foo", os.DirFS("."))
    if err != nil {
        t.Errorf("want nil, actual %s", err)
    }

    if len(files) != 4 {
        t.Errorf("want 4, actual %d", len(files))
    }

    for _, f := range files {
        _, ok := m[f]
        if !ok {
            t.Errorf("want [%s], actual not found", f)
        }
    }
}

但这不是我们想要的，既然我们使用了io/fs.FS接口，那么一切实现了fs.FS接口的实体均可被用来构造针对FindGoFiles的测试。但自己写一个实现了fs.FS接口以及fs.File相关接口还是比较麻烦的，Go标准库已经想到了这点，为我们提供了testing/fstest包，我们可以直接利用fstest包中实现的基于memory的FS来对FindGoFiles进行测试：

// github.com/bigwhite/experiments/blob/master/iofs/gowalk/demo3/gowalk_test.go
package demo

import (
    "testing"
    "testing/fstest"
)

/*
$tree testdata
testdata
└── foo
    ├── 1
    │   └── 1.txt
    ├── 1.go
    ├── 2
    │   ├── 2.go
    │   └── 2.txt
    └── bar
        ├── 3
        │   └── 3.go
        └── 4.go

5 directories, 6 files

*/

func TestFindGoFiles(t *testing.T) {
    m := map[string]bool{
        "testdata/foo/1.go":       true,
        "testdata/foo/2/2.go":     true,
        "testdata/foo/bar/3/3.go": true,
        "testdata/foo/bar/4.go":   true,
    }

    mfs := fstest.MapFS{
        "testdata/foo/1.go":       {Data: []byte("package foo\n")},
        "testdata/foo/1/1.txt":    {Data: []byte("1111\n")},
        "testdata/foo/2/2.txt":    {Data: []byte("2222\n")},
        "testdata/foo/2/2.go":     {Data: []byte("package bar\n")},
        "testdata/foo/bar/3/3.go": {Data: []byte("package zoo\n")},
        "testdata/foo/bar/4.go":   {Data: []byte("package zoo1\n")},
    }

    files, err := FindGoFiles("testdata/foo", mfs)
    if err != nil {
        t.Errorf("want nil, actual %s", err)
    }

    if len(files) != 4 {
        t.Errorf("want 4, actual %d", len(files))
    }

    for _, f := range files {
        _, ok := m[f]
        if !ok {
            t.Errorf("want [%s], actual not found", f)
        }
    }
}

由于FindGoFiles接受了fs.FS类型变量作为参数，使其可测性显著提高，我们可以通过代码来构造测试场景，而无需在真实物理磁盘上构造复杂多变的测试场景。

4. 小结

io/fs的加入让我们易于面向接口编程，而不是面向os.File这个具体实现。io/fs的加入丝毫没有违和感，就好像这个包以及其中的抽象在Go 1.0版本发布时就存在的一样。这也是Go interface隐式依赖的特质带来的好处，让人感觉十分得劲儿！

本文中涉及的代码可以在这里下载。https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/iofs

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