【2-4 Golang】Go并发编程—网络IO

  我们都知道用户程序读写socket的时候，可能阻塞当前协程，那么是不是说明Go语言采用阻塞方式调用socket相关系统调用呢？你有没有想过，Go语言又是如何实现高性能网络IO呢？有没有使用传说中的IO多路复用，如epoll呢？

探索Go语言网络IO

  HTTP服务肯定涉及到socket的读写吧，而且Go语言启动一个HTTP服务还是非常简单的，几行代码就可以搞定，前面也不需要反向代理服务如Nginx，我们写一个简单的HTTP服务来测试：

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
)

func main() {
    http.HandleFunc("/", func(writer http.ResponseWriter, request *http.Request) {
        writer.Write([]byte("hello world"))
    })

    server := &http.Server{
        Addr: "0.0.0.0:80",
    }
    err := server.ListenAndServe()
    fmt.Println(err)
}

//curl http://127.0.0.1:10086/ping
//hello world

  可以暂时不理解http.Server，只需要知道这是Go语言提供的HTTP服务；我们启动的HTTP服务监听80端口，所有请求都返回"hello world"。程序挺简单的，但是如何验证我们提出的疑问呢？Go语言层面的socket读写，最终肯定会转化为具体的系统调用吧，有一个工具strace，可以监听进程所有的系统调用，我们先通过strace简单看一下。

# ps aux | grep test
root     27435  0.0  0.0 219452  4636 pts/0    Sl+  11:00   0:00 ./test

# strace -p 27435
strace: Process 27435 attached
epoll_pwait(5, [{EPOLLIN, {u32=1030856456, u64=140403511762696}}], 128, -1, NULL, 0) = 1
futex(0x9234d0, FUTEX_WAKE_PRIVATE, 1)  = 1
accept4(3, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(56447), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:127.0.0.1", &sin6_addr), sin6_flowinfo=0, sin6_scope_id=0}, [28], SOCK_CLOEXEC|SOCK_NONBLOCK) = 4
epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 4, {EPOLLIN|EPOLLOUT|EPOLLRDHUP|EPOLLET, {u32=1030856248, u64=140403511762488}}) = 0
getsockname(4, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(10086), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:127.0.0.1", &sin6_addr), sin6_flowinfo=0, sin6_scope_id=0}, [28]) = 0
setsockopt(4, SOL_TCP, TCP_NODELAY, [1], 4) = 0
setsockopt(4, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, [1], 4) = 0
setsockopt(4, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, [180], 4) = 0
setsockopt(4, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, [180], 4) = 0
futex(0xc000036848, FUTEX_WAKE_PRIVATE, 1) = 1
accept4(3, 0xc0000abac0, 0xc0000abaa4, SOCK_CLOEXEC|SOCK_NONBLOCK) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)
futex(0x923d48, FUTEX_WAIT_PRIVATE, 0, NULL) = 0
nanosleep({0, 3000}, NULL)

  strace使用起来还是非常简单的，ps命令查出来进程的pid，然后strace -p pid就可以了，同时我们手动curl请求一下。可以很清楚的看到epoll_pwait，epoll_ctl，accept4等系统调用，很明显，Go使用了IO多路复用epoll（不同系统Linux，Windows，Mac不一样）。另外，注意第二个accept4系统调用，返回EAGAIN，并且第四个参数包含标识SOCK_NONBLOCK，看到这基本也能猜到，Go语言采取的是非阻塞方式调用socket相关系统调用。

  Linux系统，高性能网络IO通常使用epoll，epoll可以同时监听多个socket fd是否可读或者可写（socket缓冲区有数据了就是可读，socket缓冲区有空间了就是可写）。epoll使用也比较简单，我们不做过多介绍，读者可以自己查阅相关资料，了解下epoll基于红黑树+双向列表实现，以及水平触发边缘触发等概念。epoll只有三个API：

//创建epoll对象
int epoll_create(int size)
//添加/修改/删除监听的socket，包括可以设置监听socket的可读还是可写
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
//阻塞等待，直到监听的多个socket可读或者可写；events就是返回的事件列表
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

网络IO与调度器schedule

  我们可以猜测下Go语言网络IO流程：socket读写采取的都是非阻塞式，如果不可读或者不可写，会立即返回EAGAIN，此时Go语言会将该socket添加到epoll对象监听，同时阻塞用户协程切换到调度器schedule。而等到合适的时机，再调用epoll_wait获取可读或者可写的socket，从而恢复这些由于socket读写阻塞的用户协程。

  什么时候是合适的时机呢？还记得我们上一篇文章介绍的调度器schedule吗，调度器在获取可执行协程时，还会尝试检测一下，当前是否有协程已经解除阻塞了，其中就包括检测监听的socket是否可读或者可写。这些逻辑都在runtime.findrunnable函数内可以看到：

func findrunnable() (gp *g, inheritTime bool) {
    //本地队列
    if gp, inheritTime := runqget(_p_); gp != nil {
        return gp, inheritTime
    }

    //全局队列
    if sched.runqsize != 0 {
        lock(&sched.lock)
        gp := globrunqget(_p_, 0)
        unlock(&sched.lock)
        if gp != nil {
            return gp, false
        }
    }

    //检测是否有socket可读或者可写
    if netpollinited() && atomic.Load(&netpollWaiters) > 0 && atomic.Load64(&sched.lastpoll) != 0 {
        if list := netpoll(0); !list.empty() { // non-blocking
            gp := list.pop()
            injectglist(&list)
            casgstatus(gp, _Gwaiting, _Grunnable)
            return gp, false
        }
    }
}

  netpoll对应的就是我们提到的epoll_wait，注意这里输入参数是0（超时时间为0，不会阻塞），即不管是否存在socket可读或者可写，都立即返回，而且返回的就是gList，解除阻塞的协程列表。injectglist函数将协程添加到全局队列，或者是P的本地队列。

  但是我们也可以看到，什么时候检测是否有socket可读或者可写呢？在查找当前P的本地队列，以及查找全局队列之后。那问题来了，如果这两个队列一直有协程怎么办？是不是就一直不会检测socket了状态了，也就是说这些协程会一直这么阻塞了。这肯定不行啊，那怎么办？别忘了我们还有一个辅助线程sysmon，这个函数也会以10ms周期检测的.

func sysmon() {
    delay = 10 * 1000  // up to 10ms
    
    for {
        usleep(delay)

        lastpoll := int64(atomic.Load64(&sched.lastpoll))
        if netpollinited() && lastpoll != 0 && lastpoll+10*1000*1000 < now {
            atomic.Cas64(&sched.lastpoll, uint64(lastpoll), uint64(now))
            list := netpoll(0) // non-blocking - returns list of goroutines
            if !list.empty() {
                incidlelocked(-1)
                injectglist(&list)
                incidlelocked(1)
            }
        }
    }
}

  与调度器schedule类似，同样超时时间为0，不会阻塞；同样的将解除阻塞的协程添加到全局队列，或者是P的本地队列。

  接下来该研究socket读写操作的流程了，当然肯定与我们的猜测类似，非阻塞读写，如果不可读或者不可写，立即返回EAGAIN，于是将该socket添加到epoll对象监听，并且阻塞当前协程，并切换到调度器schedule。一方面，我们可以从上往下，如从server.ListenAndServe往底层逐层去探索，研究socket读写的实现；另一方面，我们已经知道底层一定会走到epoll_ctl，只是我们不知道Go语言统一封装的方法名称，简单浏览下runtime包下的文件，可以找到runtime/netpoll_epoll.go，根据名称基本就能判断这是对epoll的封装，这下简单了，打开调试模式（Goland、dlv都可以调试），打断点，再查看调用栈，socket读写操作的调用链瞬间就清楚了。

0  0x00000000010304ea in runtime.netpollopen
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/runtime/netpoll_epoll.go:64
 1  0x000000000105cdf4 in internal/poll.runtime_pollOpen
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/runtime/netpoll.go:239
 2  0x000000000109e32d in internal/poll.(*pollDesc).init
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/internal/poll/fd_poll_runtime.go:39
 3  0x000000000109eca6 in internal/poll.(*FD).Init
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/internal/poll/fd_unix.go:63
 4  0x0000000001150078 in net.(*netFD).init
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/fd_unix.go:41
 5  0x0000000001150078 in net.(*netFD).accept
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/fd_unix.go:184
 6  0x000000000115f5a8 in net.(*TCPListener).accept
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/tcpsock_posix.go:139
 7  0x000000000115e91d in net.(*TCPListener).Accept
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/tcpsock.go:288
 8  0x00000000011ff56a in net/http.(*onceCloseListener).Accept
    at <autogenerated>:1
 9  0x00000000011f3145 in net/http.(*Server).Serve
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/http/server.go:3039
10  0x00000000011f2d7d in net/http.(*Server).ListenAndServe
    at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/http/server.go:2968

  有了这个调用栈，socket读写操作的整个流程基本上没有太大问题了，这里就不再赘述了。我们可以简单看一下Accept的逻辑，是不是之前我们说的，非阻塞读写，如果不可读或者不可写，立即返回EAGAIN，同时将该socket添加到epoll对象监听，以及阻塞当前协程，并切换到调度器schedule。

func (fd *FD) Accept() (int, syscall.Sockaddr, string, error) {
    if err := fd.readLock(); err != nil {
        return -1, nil, "", err
    }
    defer fd.readUnlock()

    if err := fd.pd.prepareRead(fd.isFile); err != nil {
        return -1, nil, "", err
    }
    for {
        s, rsa, errcall, err := accept(fd.Sysfd)
        if err == nil {
            return s, rsa, "", err
        }
        switch err {
        case syscall.EINTR:
            continue
        case syscall.EAGAIN:
            if fd.pd.pollable() {
                if err = fd.pd.waitRead(fd.isFile); err == nil {
                    continue
                }
            }
        case syscall.ECONNABORTED:
            // This means that a socket on the listen
            // queue was closed before we Accept()ed it;
            // it's a silly error, so try again.
            continue
        }
        return -1, nil, errcall, err
    }
}

  for循环一直尝试执行accept，如果返回EAGAIN；函数waitRead底层就是监听读socket事件，并且阻塞协程以及切换到调度器schedule。

读写超时

  上面我们简单介绍了socket读写操作基本流程，调度器Schedule以及辅助线程sysmon检测socket基本流程。还有两个问题，我们没有提到：1）socket可读或者可写时，如何关联到协程呢？怎么知道哪些协程因为这个socket阻塞了呢？2）高性能服务，socket读写操作肯定是需要设置合理的超时时间的，不然假如依赖服务变慢，用户协程也会跟着长时间阻塞。socket读写超时，怎么实现呢？

  我们先回答第一个问题，在回顾下epoll的三个API，其中涉及到一个结构体epoll_event，不仅包含了socket fd，还包含一个void类型指针，通常指向用户自定义数据。Go语言也是这么做的，自定义了结构runtime.pollDesc：

type pollDesc struct {
    fd   uintptr   // constant for pollDesc usage lifetime
    
    //指向读socket阻塞的协程
    rg atomic.Uintptr // pdReady, pdWait, G waiting for read or nil
    //指向写socket阻塞的协程
    wg atomic.Uintptr // pdReady, pdWait, G waiting for write or nil

    //读超时定时器
    rt      timer     // read deadline timer (set if rt.f != nil)
    rd      int64     // read deadline (a nanotime in the future, -1 when expired)
    //写超时定时器
    wt      timer     // write deadline timer
    wd      int64     // write deadline (a nanotime in the future, -1 when expired)
}

  pollDesc结构包含了读写socket阻塞的协程指针，这样一来，在通过epoll_ctl监听socket时，使得epoll_event指向pollDesc结构就行了，epoll_wait返回事件列表之后，就能解析出来结构pollDesc，从而解除对应协程的阻塞。

  另外，我们也能看到pollDesc结构还包含了设置的读写超时时间，以及超时定时器。通过这定义也基本能确定，socket超时是基于定时器实现的。如果你仔细研究过上一小节介绍的socket读写操作流程，应该就能在internal/poll/fd_poll_runtime.go发现还有其他一些函数声明，包括runtime_pollSetDeadline，设置超时时间。Go语言处理HTTP请求时，默认是有读写超时时间的，同样的，我们可以输出该流程的调用栈：

0  0x000000000105d0ef in internal/poll.runtime_pollSetDeadline
   at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/runtime/netpoll.go:323
1  0x000000000109e95e in internal/poll.setDeadlineImpl
   at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/internal/poll/fd_poll_runtime.go:160
2  0x000000000115a0c8 in internal/poll.(*FD).SetReadDeadline
   at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/internal/poll/fd_poll_runtime.go:137
3  0x000000000115a0c8 in net.(*netFD).SetReadDeadline
   at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/fd_posix.go:142
4  0x000000000115a0c8 in net.(*conn).SetReadDeadline
   at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/net.go:250
5  0x00000000011ea591 in net/http.(*conn).readRequest
   at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/http/server.go:975
6  0x00000000011ee9ab in net/http.(*conn).serve
   at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/http/server.go:1891
7  0x00000000011f352e in net/http.(*Server).Serve.func3
   at /Users/xxx/Documents/go1.18/src/net/http/server.go:3071

  我们已经知道，超时时间是通过定时器实现的，所以函数poll_runtime_pollSetDeadline最终其实也是添加了定时器而已（定时器将在下一篇文章介绍），而定时器的处理函数为netpollReadDeadline或netpollDeadline或netpollWriteDeadline（根据读写操作不同）。超时了怎么办？一来肯定是设置超时标识，二来如果当前有协程因为socket阻塞还需唤醒该协程。

总结

  Go语言高性能网络IO其实还是基于IO多路复用技术（如epoll）实现的，读写socket都是非阻塞操作，如果不可读或者不可写，则将该socket添加到epoll对象监听。而调度器schedule，以及辅助线程sysmon也会不定时检测是否有socket又改变状态可读或者可写了，从而恢复这些由于socket读写而阻塞的协程。