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golang io使用及优化模式

2022年03月21日

前言

对go netpoller 的信心:Getty 只考虑使用 Go 语言原生的网络接口,如果遇到网络性能瓶颈也只会在自身层面寻找优化突破点。

业务层一般处理逻辑

tcp 代码示例

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)
    }
}

TCP 连接上的数据是一个没有边界的字节流,但在业务层眼中,没有字节流,只有各种协议消息。因此,无论是从客户端到服务端,还是从服务端到客户端,业务层在连接上看到的都应该是一个挨着一个的协议消息流

对应到 代码上就是对 handleConn 进一步抽象/逻辑拆分,将业务逻辑转化到 handlePacket 上。handleConn 和 handlePacket 可以进一步拆分为 “粘包”(Frame) 和 “序列化”(Packet)两个部分

// handleConn的调用结构
read frame from conn
    ->frame decode
      -> handle packet
        -> packet decode
        -> packet(ack) encode
    ->frame(ack) encode
write ack frame to conn

这个层次就很清晰了,复杂逻辑/需求逐层分解,也为分析类似 代码提供了分析的切入点(结构化思维)不会被带到细节里面去。

type Packet interface {
    Decode(io.Reader)(Packet,error)    
    Encode(io.Writer,Packet) error 
}
func handleConn(c net.Conn) {
    defer c.Close()
	packet = new ...
    for {
        // read from the connection
        packet, err := Decode(c)
		ackPacket, err := handlePacket(packet)
        // write to the connection
        err := Encode(c,ackPacket)
    }
}

常见优化

带缓存的网络 I/O

// var c net.Conn
rbuf := bufio.NewReader(c) 
wbuf := bufio.NewWriter(c)

bufio.Reader.Read 方法内部,每次从 net.Conn 尝试读取其内部缓存大小的数据,而不是用户传入的希望读取的数据大小。这些数据缓存在内存中,这样,后续的 Read 就可以直接从内存中得到数据,而不是每次都要从 net.Conn 读取,从而降低 Syscall 调用的频率。

重用内存对象

go tool pprof 可以观测占用内存最多的函数 和 代码(哪一行)。比如 每次服务端收到一个客户端 submit 请求时,都会在堆上分配一块内存表示 Submit 类型的实例

s := Submit{}
// 改为
var SubmitPool = sync.Pool{
    New: func() interface{} {
        return &Submit{}
    },
}
s := SubmitPool.Get().(*Submit) // 从SubmitPool池中获取一个Submit内存对象
...
SubmitPool.Put(submit)          // 将submit对象归还给Pool池

上层封装——以getty 为例

Go 语言网络库 getty 的那些事

go 通过netpoller 可以在保持异步化运行机制的同时,用同步方式写代码(goroutine-per-connection)。但毕竟代码拿到的还 是字节流,对于上层业务处理 编码工作量仍然非常大,于是 就像netty 之于java 一样 国内大佬 开发了 getty。Getty 严格遵循着分层设计的原则,主要分为数据交互层、业务控制层、网络层,同时还提供非常易于扩展的监控接口。 无论是基于getty 开发上层服务 还是 学习getty 之后再去 学习类似mosn/dubbo-go 等 都会大大降低 心智负担。

Go 语言网络库 getty 的那些事 后续性能优化部分未细读

分层

分层 接口 用户需要做的工作
EventListener/业务处理 onOpen/onError/onClose/onMessage/onCron 在onMessage 中写入业务逻辑
数据交互层/编解码 ReadWriter 机型byte[] 和 Message 的转换
业务控制层 Connection/Session  
网络层 Socket  

见过的最好的协议层定义:ReadWriter 接口定义代码如上。Read 接口之所以有三个返回值,是为了处理 TCP 流粘包情况:

  • 如果发生了网络流错误,如协议格式错误,返回 (nil, 0, error)
  • 如果读到的流很短,其头部 (header) 都无法解析出来,则返回 (nil, 0, nil)
  • 如果读到的流很短,可以解析出其头部 (header) 但无法解析出整个包 (package),则返回 (nil, pkgLen, nil)
  • 如果能够解析出一个完整的包 (package),则返回 (pkg, 0, error)

session 负责客户端的一次连接建立的管理,会持有buffer、channel 等用于 工作流中 数据暂存、协程间沟通. session 的listen、accept方法返回值 都赋值给session 自己的成员,“自产自销”。

  • 向下 Session 对 Go 内置的网络库做了完善的封装,包括对 net.Conn 的数据流读写、超时机制等。
  • 向上,Session 提供了业务可切入的接口,用户只需实现 EventListener 就可以将 Getty 接入到自己的业务逻辑中。

Connection 根据不同的通信模式对 Go 内置网络库进行了抽象封装,Connection 分别有三种实现gettyTCPConn/gettyUDPConn/gettyWSConn。 PS Session Interface 和 session struct 都聚合了Connection,屏蔽不同的传输层差异, 可能是Connection 和 Session 拆开的原因。

启动流程

在 Getty 中,server 服务的启动流程

server := getty.NewTCPServer(options...)
server.RunEventLoop(newSession NewSessionCallback)
// type NewSessionCallback func(Session) error
// 用户需要通过该函数,为 session 设置好要用的 Reader、Writer 以及 EventListener。
func newSession(session getty.Session) error {
    ...
    session.SetPkgHandler(echoPkgHandler)       // 在 echoPkgHandler 中实现编解码
	session.SetEventListener(echoMsgHandler)    // 在onMessage 中实现业务逻辑
    ession.SetReadTimeout(conf.GettySessionParam.tcpReadTimeout)
	session.SetWriteTimeout(conf.GettySessionParam.tcpWriteTimeout)
    ...
}

数据读取

RunEventLoop.RunEventLoop 收到新的连接 session 即执行 session.run

  1. 处理byte[]: session.handlePackage ==> session.handleTCPPackage
  2. 处理协议消息: reader.Read 得到pkg ==> session.addTask ==> session.listener.OnMessage
// github.com/AlexStocks/getty/transport/server.go
func (s *server) RunEventLoop(newSession NewSessionCallback) {
    err := s.listen()	  			// ==> server.listenTCP ==> server.streamListener = net.Listen("tcp", server.addr) 开启监听
	switch s.endPointType {
	case TCP_SERVER:
		s.runTcpEventLoop(newSession)
    ...
	}
}
func (s *server) runTcpEventLoop(newSession NewSessionCallback) {
	s.wg.Add(1)
	go func() {
		defer s.wg.Done()
		for {
			client, err = s.accept(newSession) // conn = server.streamListener.Accept(); session := newTCPSession(conn, server)
			client.(*session).run()
		}
	}()
}
// github.com/AlexStocks/getty/transport/session.go
func (s *session) run() {
    err := s.listener.OnOpen(s)
	go s.handleLoop()           // 发送网络字节流、调用 EventListener.OnCron() 执行定时逻辑
	go s.handlePackage()        // 读取字节数据,转为message,移交给   Goroutine Pool 处理业务逻辑
}

读取数据

func (s *session) handlePackage() {
    ...
	err = s.handleTCPPackage()
    ...
}
func (s *session) handleTCPPackage() error {
	conn = s.Connection.(*gettyTCPConn)
	for {
	    bufLen, err = conn.recv(buf)
		pktBuf.Write(buf[:bufLen])
		for {
			pkg, pkgLen, err = s.reader.Read(s, pktBuf.Bytes())	// 将字节流转为pkg
            ...
			s.addTask(pkg)									    // 交给业务逻辑处理
			pktBuf.Next(pkgLen)
		}
	}
	return perrors.WithStack(err)
}
func (s *session) addTask(pkg interface{}) {
	f := func() {
		s.listener.OnMessage(s, pkg)
		s.incReadPkgNum()
	}
	if taskPool := s.EndPoint().GetTaskPool(); taskPool != nil { // 交给协程池执行
		taskPool.AddTask(f)
		return
	}
	f()	// 直接执行
}

发送数据

发送网络字节流、调用 EventListener.OnCron() 执行定时逻辑

func (s *session) handleLoop() {
	for {
		select {
		case <-s.done: ...
		case outPkg, ok = <-s.wQ:
			iovec = iovec[:0]
			for idx := 0; idx < maxIovecNum; idx++ {
				pkgBytes, err = s.writer.Write(s, outPkg)   // 编码
				iovec = append(iovec, pkgBytes)
			}
			err = s.WriteBytesArray(iovec[:]...)
		case <-wheel.After(s.period):
			if flag {
				s.listener.OnCron(s)
			}
		}
	}
}

各个场景下的代码示例

http 代码示例

一文说透 Go 语言 HTTP 标准库

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