Go语言Socket编程详解

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在很多底层网络应用开发者的眼里一切编程都是 Socket,话虽然有点夸张,但却也几乎如此了,现在的网络编程几乎都是用 Socket 来编程。

你想过这些情景么?我们每天打开浏览器浏览网页时,浏览器进程怎么和 Web 服务器进行通信的呢?当你用 QQ 聊天时,QQ 进程怎么和服务器或者是你的好友所在的 QQ 进程进行通信的呢?当你打开 PPstream 观看视频时,PPstream 进程如何与视频服务器进行通信的呢?如此种种,都是靠 Socket 来进行通信的,以一斑窥全豹,可见 Socket 编程在现代编程中占据了多么重要的地位,这一节我们将介绍 Go语言中如何进行 Socket 编程。

什么是 Socket?

Socket 起源于 Unix,而 Unix 基本哲学之一就是“一切皆文件”,都可以用“打开 open –> 读写 write/read –> 关闭 close”模式来操作。Socket 就是该模式的一个实现,网络的 Socket 数据传输是一种特殊的 I/O,Socket 也是一种文件描述符。Socket 也具有一个类似于打开文件的函数调用:Socket(),该函数返回一个整型的 Socket 描述符,随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该 Socket 实现的。

常用的 Socket 类型有两种:流式Socket(SOCK_STREAM)和数据报式 Socket(SOCK_DGRAM)。
  • 流式是一种面向连接的 Socket,针对于面向连接的 TCP 服务应用;
  • 数据报式 Socket 是一种无连接的 Socket,对应于无连接的 UDP 服务应用。

Socket 如何通信

网络中的进程之间如何通过 Socket 通信呢?首要解决的问题是如何唯一标识一个进程,否则通信无从谈起!在本地可以通过进程 PID 来唯一标识一个进程,但是在网络中这是行不通的。

其实 TCP/IP 协议族已经帮我们解决了这个问题,网络层的“ip 地址”可以唯一标识网络中的主机,而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序(进程)。这样利用三元组(ip 地址,协议,端口)就可以标识网络的进程了,网络中需要互相通信的进程,就可以利用这个标志在他们之间进行交互。请看下面这个 TCP/IP 协议结构图

七层网络协议图
图:七层网络协议图

使用 TCP/IP 协议的应用程序通常采用应用编程接口:UNIX BSD 的套接字(socket)和 UNIX System V 的 TLI(已经被淘汰),来实现网络进程之间的通信。

就目前而言,几乎所有的应用程序都是采用 socket,而现在又是网络时代,网络中进程通信是无处不在,这就是为什么说“一切皆 Socket”。

Socket 基础知识

通过上面的介绍我们知道 Socket 有两种:TCP Socket 和 UDP Socket,TCP 和 UDP 是协议,而要确定一个进程的需要三元组,需要 IP 地址和端口。

IPv4 地址

目前的全球因特网所采用的协议族是 TCP/IP 协议。IP 是 TCP/IP 协议中网络层的协议,是 TCP/IP 协议族的核心协议。目前主要采用的 IP 协议的版本号是 4(简称为 IPv4),发展至今已经使用了 30 多年。

IPv4 的地址位数为 32 位,也就是最多有 2 的 32 次方的网络设备可以联到 Internet 上。

近十年来由于互联网的蓬勃发展,IP 位址的需求量愈来愈大,使得 IP 位址的发放愈趋紧张,前一段时间,据报道 IPV4 的地址已经发放完毕,我们公司目前很多服务器的 IP 都是一个宝贵的资源。

地址格式类似这样:127.0.0.1  172.122.121.111

IPv6 地址

IPv6 是下一版本的互联网协议,也可以说是下一代互联网的协议,它是为了解决 IPv4 在实施过程中遇到的各种问题而被提出的,IPv6 采用 128 位地址长度,几乎可以不受限制地提供地址。

按保守方法估算 IPv6 实际可分配的地址,整个地球的每平方米面积上仍可分配 1000 多个地址。在 IPv6 的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外,还考虑了在 IPv4 中解决不好的其它问题,主要有端到端 IP 连接、服务质量(QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。

地址格式类似这样:2002:c0e8:82e7:0:0:0:c0e8:82e7

Go 支持的 IP 类型

在 Go语言的 net 包中定义了很多类型、函数和方法用来网络编程,其中 IP 的定义如下:

type IP []byte

在 net 包中有很多函数来操作 IP,但是其中比较有用的也就几个,其中 ParseIP(s string) IP 函数会把一个 IPv4 或者 IPv6 的地址转化成 IP 类型,请看下面的例子:
package main
import (
    "net"
    "os"
    "fmt"
)
func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s ip-addr\n", os.Args[0])
        os.Exit(1)
    }
    name := os.Args[1]
    addr := net.ParseIP(name)
    if addr == nil {
        fmt.Println("Invalid address")
    } else {
        fmt.Println("The address is ", addr.String())
    }
    os.Exit(0)
}
执行之后你就会发现只要你输入一个 IP 地址就会给出相应的 IP 格式

TCP Socket

当我们知道如何通过网络端口访问一个服务时,那么我们能够做什么呢?作为客户端来说,我们可以通过向远端某台机器的的某个网络端口发送一个请求,然后得到在机器的此端口上监听的服务反馈的信息。

作为服务端,我们需要把服务绑定到某个指定端口,并且在此端口上监听,当有客户端来访问时能够读取信息并且写入反馈信息。

在 Go语言的 net 包中有一个类型 TCPConn,这个类型可以用来作为客户端和服务器端交互的通道,他有两个主要的函数:

func (c *TCPConn) Write(b []byte) (n int, err os.Error)
func (c *TCPConn) Read(b []byte) (n int, err os.Error)

TCPConn 可以用在客户端和服务器端来读写数据。

还有我们需要知道一个 TCPAddr 类型,他表示一个 TCP 的地址信息,他的定义如下:
type TCPAddr struct {
    IP IP
    Port int
}
在 Go语言中通过 ResolveTCPAddr 获取一个 TCPAddr

func ResolveTCPAddr(net, addr string) (*TCPAddr, os.Error)

  • net 参数是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一个,分别表示 TCP(IPv4-only),TCP(IPv6-only) 或者 TCP(IPv4,IPv6 的任意一个)。
  • addr 表示域名或者 IP 地址,例如"www.google.com:80" 或者"127.0.0.1:22"。

TCP client

Go语言中通过 net 包中的 DialTCP 函数来建立一个 TCP 连接,并返回一个 TCPConn 类型的对象,当连接建立时服务器端也创建一个同类型的对象,此时客户端和服务器段通过各自拥有的 TCPConn 对象来进行数据交换。

一般而言,客户端通过 TCPConn 对象将请求信息发送到服务器端,读取服务器端响应的信息。服务器端读取并解析来自客户端的请求,并返回应答信息,这个连接只有当任一端关闭了连接之后才失效,不然这连接可以一直在使用。建立连接的函数定义如下:

func DialTCP(net string, laddr, raddr *TCPAddr) (c *TCPConn, err os.Error)

  • net 参数是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一个,分别表示 TCP(IPv4-only)、TCP(IPv6-only) 或者 TCP(IPv4,IPv6 的任意一个)
  • laddr 表示本机地址,一般设置为 nil
  • raddr 表示远程的服务地址

接下来通过一个简单的例子,模拟一个基于 HTTP 协议的客户端请求去连接一个 Web 服务端。要写一个简单的 http 请求头,格式类似如下:

"HEAD / HTTP/1.0\r\n\r\n"

从服务端接收到的响应信息格式可能如下:

HTTP/1.0 200 OK
ETag: "-9985996"
Last-Modified: Thu, 25 Mar 2010 17:51:10 GMT
Content-Length: 18074
Connection: close
Date: Sat, 28 Aug 2010 00:43:48 GMT
Server: lighttpd/1.4.23

客户端代码如下所示:
package main
import (
    "fmt"
    "io/ioutil"
    "net"
    "os"
)
func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s host:port ", os.Args[0])
        os.Exit(1)
    }
    service := os.Args[1]
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", service)
    checkError(err)
    conn, err := net.DialTCP("tcp", nil, tcpAddr)
    checkError(err)
    _, err = conn.Write([]byte("HEAD / HTTP/1.0\r\n\r\n"))
    checkError(err)
    result, err := ioutil.ReadAll(conn)
    checkError(err)
    fmt.Println(string(result))
    os.Exit(0)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}
通过上面的代码可以看出:首先程序将用户的输入作为参数 service 传入 net.ResolveTCPAddr 获取一个 tcpAddr,然后把 tcpAddr 传入 DialTCP 后创建了一个 TCP 连接 conn,通过 conn 发送请求信息,最后通过 ioutil.ReadAll 从 conn 中读取全部的文本,也就是服务端响应反馈的信息。

TCP server

上面我们编写了一个 TCP 的客户端程序,也可以通过 net 包来创建一个服务器端程序,在服务器端我们需要绑定服务到指定的非激活端口,并监听此端口,当有客户端请求到达的时候可以接收到来自客户端连接的请求。

net 包中有相应功能的函数,函数定义如下:

func ListenTCP(net string, laddr *TCPAddr) (l *TCPListener, err os.Error)
func (l *TCPListener) Accept() (c Conn, err os.Error)

参数说明同 DialTCP 的参数一样。下面我们实现一个简单的时间同步服务,监听 7777 端口:
package main
import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)
func main() {
    service := ":7777"
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", service)
    checkError(err)
    listener, err := net.ListenTCP("tcp", tcpAddr)
    checkError(err)
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        daytime := time.Now().String()
        conn.Write([]byte(daytime)) 
        conn.Close() 
    }
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}
上面的服务跑起来之后,它将会一直在那里等待,直到有新的客户端请求到达。当有新的客户端请求到达并同意接受 Accept 该请求的时候他会反馈当前的时间信息。

值得注意的是,在代码中 for 循环里,当有错误发生时,直接 continue 而不是退出,是因为在服务器端跑代码的时候,当有错误发生的情况下最好是由服务端记录错误,然后当前连接的客户端直接报错而退出,从而不会影响到当前服务端运行的整个服务。

上面的代码有个缺点,执行的时候是单任务的,不能同时接收多个请求,那么该如何改造以使它支持多并发呢?Go 里面有一个 goroutine 机制,请看下面改造后的代码:
package main
import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)
func main() {
    service := ":1200"
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", service)
    checkError(err)
    listener, err := net.ListenTCP("tcp", tcpAddr)
    checkError(err)
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        go handleClient(conn)
    }
}
func handleClient(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()
    daytime := time.Now().String()
    conn.Write([]byte(daytime))
    
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}
通过把业务处理分离到函数 handleClient,我们就可以进一步地实现多并发执行了。看上去是不是很帅,增加 go 关键词就实现了服务端的多并发,从这个小例子也可以看出 goroutine 的强大之处。

有的朋友可能要问:这个服务端没有处理客户端实际请求的内容。如果我们需要通过从客户端发送不同的请求来获取不同的时间格式,而且需要一个长连接,该怎么做呢?请看:
package main
import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
    "strconv"
    "strings"
)
func main() {
    service := ":1200"
    tcpAddr, err := net.ResolveTCPAddr("tcp4", service)
    checkError(err)
    listener, err := net.ListenTCP("tcp", tcpAddr)
    checkError(err)
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            continue
        }
        go handleClient(conn)
    }
}
func handleClient(conn net.Conn) {
    conn.SetReadDeadline(time.Now().Add(2 * time.Minute)) // 设置2分钟超时
    request := make([]byte, 128) // 退出前关闭连接
    for {
        read_len, err := conn.Read(request)
        if err != nil {
            fmt.Println(err)
            break
        }
        if read_len == 0 {
            break // 客户端已关闭连接
        } else if strings.TrimSpace(string(request[:read_len])) == "timestamp" daytime := strconv.FormatInt(time.Now().Unix(), 10) {
            conn.Write([]byte(daytime))
        } else {
            daytime := time.Now().String()
            conn.Write([]byte(daytime))
        }
        request = make([]byte, 128) // 清除上次读取的内容
    }
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}
在上面这个例子中,我们使用 conn.Read() 不断读取客户端发来的请求。由于我们需要保持与客户端的长连接,所以不能在读取完一次请求后就关闭连接。由于 conn.SetReadDeadline() 设置了超时,当一定时间内客户端无请求发送,conn 便会自动关闭,下面的 for 循环即会因为连接已关闭而跳出。

需要注意的是,request 在创建时需要指定一个最大长度以防止 flood attack;每次读取到请求处理完毕后,需要清理 request,因为 conn.Read() 会将新读取到的内容 append 到原内容之后。

控制 TCP 连接

TCP 有很多连接控制函数,我们平常用到比较多的有如下几个函数:

func DialTimeout(net, addr string, timeout time.Duration) (Conn, error)

设置建立连接的超时时间,客户端和服务器端都适用,当超过设置时间时,连接自动关闭。

func (c *TCPConn) SetReadDeadline(t time.Time) error
func (c *TCPConn) SetWriteDeadline(t time.Time) error

用来设置写入/读取一个连接的超时时间。当超过设置时间时,连接自动关闭。

func (c *TCPConn) SetKeepAlive(keepalive bool) os.Error

设置客户端是否和服务器端保持长连接,可以降低建立 TCP 连接时的握手开销,对于一些需要频繁交换数据的应用场景比较适用。

UDP Socket

Go语言包中处理 UDP Socket 和 TCP Socket 不同的地方就是在服务器端处理多个客户端请求数据包的方式不同,UDP 缺少了对客户端连接请求的 Accept 函数。其他基本几乎一模一样,只有 TCP 换成了 UDP 而已。UDP 的几个主要函数如下所示:

func ResolveUDPAddr(net, addr string) (*UDPAddr, os.Error)
func DialUDP(net string, laddr, raddr *UDPAddr) (c *UDPConn, err os.Error)
func ListenUDP(net string, laddr *UDPAddr) (c *UDPConn, err os.Error)
func (c *UDPConn) ReadFromUDP(b []byte) (n int, addr *UDPAddr, err os.Error
func (c *UDPConn) WriteToUDP(b []byte, addr *UDPAddr) (n int, err os.Error)

一个 UDP 的客户端代码如下所示,我们可以看到不同的就是 TCP 换成了 UDP 而已:
package main
import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
)
func main() {
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s host:port", os.Args[0])
        os.Exit(1)
    }
    service := os.Args[1]
    udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp4", service)
    checkError(err)
    conn, err := net.DialUDP("udp", nil, udpAddr)
    checkError(err)
    _, err = conn.Write([]byte("anything"))
    checkError(err)
    var buf [512]byte
    n, err := conn.Read(buf[0:])
    checkError(err)
    fmt.Println(string(buf[0:n]))
    os.Exit(0)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error ", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}
我们来看一下 UDP 服务器端如何来处理:
package main
import (
    "fmt"
    "net"
    "os"
    "time"
)
func main() {
    service := ":1200"
    udpAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp4", service)
    checkError(err)
    conn, err := net.ListenUDP("udp", udpAddr)
    checkError(err)
    for {
        handleClient(conn)
    }
}
func handleClient(conn * net.UDPConn) {
    var buf [512]byte
    _, addr, err := conn.ReadFromUDP(buf[0:])
    if err != nil {
        return
    }
    daytime := time.Now().String()
    conn.WriteToUDP([]byte(daytime), addr)
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error ", err.Error())
        os.Exit(1)
    }
}

总结

通过对 TCP 和 UDP Socket 编程的描述和实现,可见 Go 已经完备地支持了 Socket 编程,而且使用起来相当的方便,Go 提供了很多函数,通过这些函数可以很容易就编写出高性能的 Socket 应用。
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