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标签


golang io

2019年12月24日

前言

如果想兼顾开发效率,又能保证高并发,协程就是最好的选择。它可以在保持异步化运行机制的同时,用同步方式写代码,这在实现高并发的同时,缩短了开发周期,是高性能服务未来的发展方向。

整体理念

Go语言TCP Socket编程从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。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。

The Go netpollerIn Go, all I/O is blocking. The Go ecosystem is built around the idea that you write against a blocking interface and then handle concurrency through goroutines and channels rather than callbacks and futures.An example is the HTTP server in the “net/http” package. Whenever it accepts a connection, it will create a new goroutine to handle all the requests that will happen on that connection. This construct means that the request handler can be written in a very straightforward manner. First do this, then do that. Unfortunately, using the blocking I/O provided by the operating system isn’t suitable for constructing our own blocking I/O interface.

netty 在屏蔽java nio底层细节方面做得不错, 但因为java/jvm的限制,“回调机制割裂控制流”的问题依然无法避免。

I/O 多路复用需要使用特定的系统调用/select,java 语言需要显式调用select ,而golang 则通过netpoller 组件将select调用 重新隐藏了。

原理

Go 语言网络轮询器的实现原理

  1. 多路复用 有赖于 linux 的epoll 机制,具体的说 是 epoll_create/epoll_ctl/epoll_wait 三个函数
  2. epoll 机制包含 两个fd: epfd 和 待读写数据的fd(比如socket)。先创建efpd,然后向epfd 注册fd事件, 之后触发epoll_wait 轮询注册在epfd 的fd 事件发生了没有。
  3. netpoller 负责将 操作系统 提供的nio 转换为 goroutine 支持的blocking io。为屏蔽linux、windows 等底层nio 接口的差异,netpoller 定义一个 虚拟接口来封装底层接口。
     func netpollinit()
     func netpollopen(fd uintptr, pd *pollDesc) int32
     func netpoll(delta int64) gList
     func netpollBreak()
     func netpollIsPollDescriptor(fd uintptr) bool
    

本文 主要讲 netpoller 基于 linux 的epoll 接口 的实现

对比 golang netpoller linux epoll
初始化epfd netpollinit epoll_create
向epoll 添加事件 netpollopen epoll_ctl
发起轮询 netpoll epoll_wait
轮询触发时机 Go 语言的runtime会在调度或者系统监控中调用 runtime.netpoll 应用程序触发
轮询结果 轮询网络并返回一组已经准备就绪的 Goroutine 返回就绪的事件

Goroutine 让出线程并等待读写事件:当我们在文件描述符上执行读写操作时,如果文件描述符不可读或者不可写,当前 Goroutine 就会执行 runtime.poll_runtime_pollWait 检查 runtime.pollDesc 的状态并调用 runtime.netpollblock 等待文件描述符的可读或者可写。runtime.netpollblock会使用运行时提供的 runtime.gopark 让出当前线程,将 Goroutine 转换到休眠状态并等待运行时的唤醒。

多路复用等待读写事件的发生并返回:netpoller并不是由runtime中的某一个线程独立运行的,runtime中的调度和系统调用会通过 runtime.netpoll 与网络轮询器交换消息,获取待执行的 Goroutine 列表,并将待执行的 Goroutine 加入运行队列等待处理。

网络轮询器的初始化

  1. 调用 epollcreate1 创建一个新的 epoll 文件描述符,这个文件描述符会在整个程序的生命周期中使用;
  2. 通过 runtime.nonblockingPipe 创建一个用于通信的管道;(管道为我们提供了中断多路复用等待文件描述符中事件的方法)
  3. 使用 epollctl 将用于读取数据的文件描述符打包成 epollevent 事件加入监听;
func netpollinit() {
	epfd = epollcreate1(_EPOLL_CLOEXEC)
	r, w, _ := nonblockingPipe()
	ev := epollevent{
		events: _EPOLLIN,
	}
	*(**uintptr)(unsafe.Pointer(&ev.data)) = &netpollBreakRd
	epollctl(epfd, _EPOLL_CTL_ADD, r, &ev)
	netpollBreakRd = uintptr(r)
	netpollBreakWr = uintptr(w)
}

向efpd 注册 fd 事件

操作系统中 I/O 多路复用函数会监控文件描述符的可读或者可写。而 Go 语言网络轮询器会监听 runtime.pollDesc 结构体的状态,该结构会封装操作系统的文件描述符:

type pollDesc struct {
	link *pollDesc

	lock    mutex
	fd      uintptr
	...
	rseq    uintptr
	rg      uintptr
	rt      timer
	rd      int64
	wseq    uintptr
	wg      uintptr
	wt      timer
	wd      int64
}

调用 internal/poll.pollDesc.init 初始化文件描述符时不止会初始化网络轮询器,会通过 runtime.poll_runtime_pollOpen 函数重置轮询信息 runtime.pollDesc 并调用 runtime.netpollopen 初始化轮询事件。runtime.netpollopen 会调用 epollctl 向全局的轮询文件描述符 epfd 中加入新的轮询事件监听文件描述符的可读和可写状态

轮询

func netpoll(delay int64) gList {
	var waitms int32
	if delay < 0 {
		waitms = -1
	} else if delay == 0 {
		waitms = 0
	} else if delay < 1e6 {
		waitms = 1
	} else if delay < 1e15 {
		waitms = int32(delay / 1e6)
	} else {
		waitms = 1e9
    }
    var events [128]epollevent
retry:
	n := epollwait(epfd, &events[0], int32(len(events)), waitms)
	if n < 0 {
		if waitms > 0 {
			return gList{}
		}
		goto retry
    }
    var toRun gList
	for i := int32(0); i < n; i++ {
		ev := &events[i]
		if *(**uintptr)(unsafe.Pointer(&ev.data)) == &netpollBreakRd {
			...
			continue
		}
		var mode int32
		if ev.events&(_EPOLLIN|_EPOLLRDHUP|_EPOLLHUP|_EPOLLERR) != 0 {
			mode += 'r'
		}
		...
		if mode != 0 {
			pd := *(**pollDesc)(unsafe.Pointer(&ev.data))
			pd.everr = false
			netpollready(&toRun, pd, mode)
		}
	}
	return toRun

计算了需要等待的时间之后,runtime.netpoll 会执行 epollwait 等待文件描述符转换成可读或者可写。当 epollwait 函数返回的值大于 0 时,就意味着被监控的文件描述符出现了待处理的事件。处理的事件总共包含两种,一种是调用 runtime.netpollBreak 函数触发的事件,该函数的作用是中断网络轮询器;另一种是其他文件描述符的正常读写事件,对于这些事件,我们会交给 runtime.netpollready 处理

各个场景下的代码示例

tcp 代码示例

个典型的Go server端程序大致如下:

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)
    }
}

http 代码示例

func helloHandler(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
    io.WriteString(w, "hello, world!\n")
}
func main() {
    http.HandleFunc("/", helloHandler)
    http.ListenAndServe(":12345", nil)
}

grpc 代码示例

demo helloworld helloworld.proto helloworld.pb.go ## 基于helloworld.proto 生成 server main.go client main.go

服务端main.go 示例

package main
const (
    port = ":50051"
)
// server is used to implement helloworld.GreeterServer.
type server struct{}
// SayHello implements helloworld.GreeterServer
func (s *server) SayHello(ctx context.Context, in *pb.HelloRequest) (*pb.HelloReply, error) {
    log.Printf("Received: %v", in.Name)
    return &pb.HelloReply{Message: "Hello " + in.Name}, nil
}
func main() {
    lis, err := net.Listen("tcp", port)
    if err != nil {
        log.Fatalf("failed to listen: %v", err)
    }
    s := grpc.NewServer()
    helloworld.RegisterGreeterServer(s, &server{})
    if err := s.Serve(lis); err != nil {
        log.Fatalf("failed to serve: %v", err)
    }
}

helloworld.pb.go 中定义了RegisterGreeterServer 方法,除传入grpc.Server外,第二个参数是定义好的 GreeterServer interface。 由此可见,grpc 与java thrift 异曲同工

  1. 定义thrift 文件
  2. thrift 命令基于thrift 文件生成 对应语言的 代码文件,包含了服务 接口
  3. 开发者提供 接口实现类