深入理解 Go 高性能网络框架 nbio

本文深入探讨了高性能网络框架 nbio 在 Golang 中的应用，包括其架构、配置、事件处理机制、核心组件等，并与 Evio 做了比较。原文: Analyzing High-Performance Network Framework nbio in Go

前言

nbio 项目还包括建立在 nbio 基础上的 nbhttp，但这不在我们的讨论范围之内。

与 evio 一样，nbio 也采用经典的 Reactor 模式。事实上，Go 中的许多异步网络框架都是基于这种模式设计的。

我们先看看如何执行 nbio 代码。

服务器：

package main

import (
   "fmt"
   "github.com/lesismal/nbio"
)

func main() {
   g := nbio.NewGopher(nbio.Config{
       Network:            "tcp",
       Addrs:              []string{":8888"},
       MaxWriteBufferSize: 6 * 1024 * 1024,
   })

   g.OnData(func(c *nbio.Conn, data []byte) {
       c.Write(append([]byte{}, data...))
   })

   err := g.Start()
   if err != nil {
       fmt.Printf("nbio.Start failed: %v\n", err)
       return
   }

   defer g.Stop()
   g.Wait()
}

我们用 nbio.NewGopher() 函数创建新的引擎实例，通过 nbio.Config 结构来配置引擎实例，包括:

• Network（网络）：使用的网络类型，本例中为 "TCP"。
• Addrs（地址）：服务器应该监听的地址和端口，这里是":8888"（监听本地计算机的 8888 端口）。
• MaxWriteBufferSize（最大写缓冲区大小）：写缓冲区的最大大小，此处设置为 6MB。

我们还可以进一步探索其他配置。然后，我们通过引擎实例 g.OnData() 注册数据接收回调函数，该回调函数会在收到数据时调用。回调函数需要两个参数：连接对象 c 和接收到的数据 data。在回调函数中，通过 c.Write() 方法将接收到的数据写回客户端。

客户端：

package main

import (
   "bytes"
   "context"
   "fmt"
   "math/rand"
   "time"
   "github.com/lesismal/nbio"
   "github.com/lesismal/nbio/logging"
)

func main() {
   var (
       ret  []byte
       buf  = make([]byte, 1024*1024*4)
       addr = "localhost:8888"
       ctx, _ = context.WithTimeout(context.Background(), 60*time.Second)
   )

   logging.SetLevel(logging.LevelInfo)
   rand.Read(buf)

   g := nbio.NewGopher(nbio.Config{})
   done := make(chan int)

   g.OnData(func(c *nbio.Conn, data []byte) {
       ret = append(ret, data...)
       if len(ret) == len(buf) {
           if bytes.Equal(buf, ret) {
               close(done)
           }
       }
   })

   err := g.Start()
   if err != nil {
       fmt.Printf("Start failed: %v\n", err)
   }

   defer g.Stop()

   c, err := nbio.Dial("tcp", addr)
   if err != nil {
       fmt.Printf("Dial failed: %v\n", err)
   }

   g.AddConn(c)
   c.Write(buf)

   select {
   case <-ctx.Done():
       logging.Error("timeout")
   case <-done:
       logging.Info("success")
   }
}

乍一看似乎有点繁琐，实际上服务器和客户端共享同一套结构。

客户端通过 nbio.Dial 与服务器连接，连接成功后封装到 nbio.Conn 中。这里 nbio.Conn 实现了标准库中的 net.Conn 接口，最后通过 g.AddConn(c) 添加此连接，并向服务器写入数据。服务器收到数据后，其处理逻辑是将数据原封不动发送回客户端，客户端收到数据后，会触发 OnData 回调，该回调会检查收到的数据长度是否与发送的数据长度一致，如果一致，则关闭连接。

下面深入探讨几个关键结构。

type Engine struct {
   //...
   sync.WaitGroup
   //...
   mux                        sync.Mutex
   wgConn                     sync.WaitGroup
   network                    string
   addrs                      []string
   //...
   connsStd                   map[*Conn]struct{}
   connsUnix                  []*Conn
   listeners                  []*poller
   pollers                    []*poller
   onOpen                     func(c *Conn)
   onClose                    func(c *Conn, err error)
   onRead                     func(c *Conn)
   onData                     func(c *Conn, data []byte)
   onReadBufferAlloc          func(c *Conn) []byte
   onReadBufferFree           func(c *Conn, buffer []byte)
   //...
}

Engine 本质上是核心管理器，负责管理所有监听器、轮询器和工作轮询器。

这两种轮询器有什么区别？

区别在于责任不同。

监听轮询器只负责接受新连接。当一个新的客户端 conn 到达时，它会从 pollers 中选择一个工作轮询器，并将 conn 添加到相应的工作轮询器中。随后，工作轮询器负责处理该连接的读/写事件。

因此当我们启动程序时，如果只监听一个地址，程序中的轮询次数等于 1（监听器轮询器）+ pollerNum。

通过上述字段，可以自定义配置和回调。例如，可以在新连接到达时设置 onOpen 回调函数，或在数据到达时设置 onData 回调函数等。

type Conn struct {
   mux                   sync.Mutex
   p                     *poller
   fd                    int
   //...
   writeBuffer           []byte
   //...
   DataHandler           func(c *Conn, data []byte)
}

Conn 结构代表网络连接，每个 Conn 只属于一个轮询器。当数据一次写不完时，剩余数据会先存储在 writeBuffer 中，等待下一个可写事件继续写入。

type poller struct {
   g             *Engine
   epfd          int
   evtfd         int
   index         int
   shutdown      bool
   listener      net.Listener
   isListener    bool
   unixSockAddr  string
   ReadBuffer    []byte
   pollType      string
}

至于 poller 结构，这是一个抽象概念，用于管理底层多路复用 I/O 操作（如 Linux 的 epoll、Darwin 的 kqueue 等）。

注意 pollType，nbio 默认使用电平触发（LT）模式的 epoll，但用户也可以将其设置为边缘触发（ET）模式。

介绍完基本结构后，我们来看看代码流程。

当启动服务器代码时，调用 Start：

func (g *Engine) Start() error {
   //...
   switch g.network {
   // 第一部分: 初始化 listener
   case "unix", "tcp", "tcp4", "tcp6":
       for i := range g.addrs {
           ln, err := newPoller(g, true, i)
           if err != nil {
               for j := 0; j < i; j++ {
                   g.listeners[j].stop()
               }
               return err
           }
           g.addrs[i] = ln.listener.Addr().String()
           g.listeners = append(g.listeners, ln)
       }
   //...
   // 第二部分: 初始化一定数量的轮询器
   for i := 0; i < g.pollerNum; i++ {
       p, err := newPoller(g, false, i)
       if err != nil {
           for j := 0; j < len(g.listeners); j++ {
               g.listeners[j].stop()
           }
           for j := 0; j < i; j++ {
               g.pollers[j].stop()
           }
           return err
       }
       g.pollers[i] = p
   }
   //...
   // 第三部分: 启动所有工作轮询器
   for i := 0; i < g.pollerNum; i++ {
       g.pollers[i].ReadBuffer = make([]byte, g.readBufferSize)
       g.Add(1)
       go g.pollers[i].start()
   }
   // 第四部分: 启动所有监听器
   for _, l := range g.listeners {
       g.Add(1)
       go l.start()
   }
   //... (忽略 UDP)
   //...
}

代码比较容易理解，分为四个部分：

第一部分：初始化监听器

根据 g.network 值（如 "unix"、"tcp"、"tcp4"、"tcp6"），为每个要监听的地址创建一个新的轮询器。该轮询器主要管理监听套接字上的事件。如果在创建过程中发生错误，则停止所有先前创建的监听器并返回错误信息。

第二部分：初始化一定数量的轮询器

创建指定数量（pollerNum）的轮询器，用于处理已连接套接字上的读/写事件。如果在创建过程中发生错误，将停止所有监听器和之前创建的工作轮询器，然后返回错误信息。

第三部分：启动所有工作轮询器投票站

为每个轮询器分配读缓冲区并启动。

第四部分：启动所有监听器

启动之前创建的所有监听器，并开始监听各自地址上的连接请求。

关于轮询器的启动：

func (p *poller) start() {
   defer p.g.Done()
   //...
   if p.isListener {
       p.acceptorLoop()
   } else {
       defer func() {
           syscall.Close(p.epfd)
           syscall.Close(p.evtfd)
       }()
       p.readWriteLoop()
   }
}

分为两种情况。如果是监听轮询器：

func (p *poller) acceptorLoop() {
   // 如果不希望将当前 goroutine 调度到其他操作线程。
   if p.g.lockListener {
       runtime.LockOSThread()
       defer runtime.UnlockOSThread()
   }
   p.shutdown = false
   for !p.shutdown {
       conn, err := p.listener.Accept()
       if err == nil {
           var c *Conn
           c, err = NBConn(conn)
           if err != nil {
               conn.Close()
               continue
           }
           // p.g.pollers[c.Hash()%len(p.g.pollers)].addConn(c)
       } else {
           var ne net.Error
           if ok := errors.As(err, &ne); ok && ne.Timeout() {
               logging.Error("NBIO[%v][%v_%v] Accept failed: temporary error, retrying...", p.g.Name, p.pollType, p.index)
               time.Sleep(time.Second / 20)
           } else {
               if !p.shutdown {
                   logging.Error("NBIO[%v][%v_%v] Accept failed: %v, exit...", p.g.Name, p.pollType, p.index, err)
               }
               break
           }
       }
   }
}

监听轮询器等待新连接的到来，并在接受后将其封装到 nbio.Conn 中，并将 Conn 添加到相应的工作轮询器中。

func (p *poller) addConn(c *Conn) {
   c.p = p
   if c.typ != ConnTypeUDPServer {
       p.g.onOpen(c)
   }
   fd := c.fd
   p.g.connsUnix[fd] = c
   err := p.addRead(fd)
   if err != nil {
       p.g.connsUnix[fd] = nil
       c.closeWithError(err)
       logging.Error("[%v] add read event failed: %v", c.fd, err)
   }
}

这里一个有趣的设计是对 conn 的管理。该结构是个切片，直接使用 conn 的 fd 作为索引。这样做的好处是：

• 在连接数较多的情况下，垃圾回收时的负担要比使用 map 小。
• 可以防止序列号问题。

最后，通过调用 addRead 将相应的 conn fd 添加到 epoll 中。

func (p *poller) addRead(fd int) error {
   switch p.g.epollMod {
   case EPOLLET:
       return syscall.EpollCtl(p.epfd, syscall.EPOLL_CTL_ADD, fd, &syscall.EpollEvent{Fd: int32(fd), Events: syscall.EPOLLERR | syscall.EPOLLHUP | syscall.EPOLLRDHUP | syscall.EPOLLPRI | syscall.EPOLLIN | syscall.EPOLLET})
   default:
       return syscall.EpollCtl(p.epfd, syscall.EPOLL_CTL_ADD, fd, &syscall.E

pollEvent{Fd: int32(fd), Events: syscall.EPOLLERR | syscall.EPOLLHUP | syscall.EPOLLRDHUP | syscall.EPOLLPRI | syscall.EPOLLIN})
   }
}

这里不注册写事件是合理的，因为新连接上没有数据要发送。这种方法避免了一些不必要的系统调用，从而提高了程序性能。

如果启动的是工作轮询器，它的工作就是等待新增 conn 事件，并进行相应处理。

func (p *poller) readWriteLoop() {
   //...
   msec := -1
   events := make([]syscall.EpollEvent, 1024)
   //...
   for !p.shutdown {
       n, err := syscall.EpollWait(p.epfd, events, msec)
       if err != nil && !errors.Is(err, syscall.EINTR) {
           return
       }
       if n <= 0 {
           msec = -1
           continue
       }
       msec = 20
       // 遍历事件
       for _, ev := range events[:n] {
           fd := int(ev.Fd)
           switch fd {
           case p.evtfd:
           default:
               c := p.getConn(fd)
               if c != nil {
                   if ev.Events&epollEventsError != 0 {
                       c.closeWithError(io.EOF)
                       continue
                   }
                   // 如果可写，则刷新数据
                   if ev.Events&epollEventsWrite != 0 {
                       c.flush()
                   }
                   // 读取事件
                   if ev.Events&epollEventsRead != 0 {
                       if p.g.onRead == nil {
                           for i := 0; i < p.g.maxConnReadTimesPerEventLoop; i++ {
                               buffer := p.g.borrow(c)
                               rc, n, err := c.ReadAndGetConn(buffer)
                               if n > 0 {
                                   p.g.onData(rc, buffer[:n])
                               }
                               p.g.payback(c, buffer)
                               //...
                               if n < len(buffer) {
                                   break
                               }
                           }
                       } else {
                           p.g.onRead(c)
                       }
                   }
               } else {
                   syscall.Close(fd)
               }
           }
       }
   }
}

这段代码也很简单，等待事件到来，遍历事件列表，并相应处理每个事件。

func EpollWait(epfd int, events []EpollEvent, msec int) (n int, err error)

在 EpollWait 中，只有 msec 是用户可修改的。通常，我们设置 msec = -1 使函数阻塞，直到至少有一个事件发生；否则，函数将无限期阻塞。当事件较少时，这种方法非常有用，能最大限度减少 CPU 占用。

如果想尽快响应事件，可以设置 msec = 0，这样 EpollWait 就能立即返回，无需等待任何事件。在这种情况下，程序可能会更频繁调用 EpollWait，可以在事件发生后立即处理事件，从而提高 CPU 使用率。

如果程序可以容忍一定延迟，并且希望降低 CPU 占用率，可以将 msec 设置为正数。这样，EpollWait 就会在指定时间内等待事件发生。如果在这段时间内没有事件发生，函数将返回，可以选择稍后再次调用 EpollWait。这种方法可以降低 CPU 占用率，但可能导致响应时间延长。

nbio 会根据事件计数调整 msec 值。如果计数大于 0，则 msec 设置为 20。

字节跳动的 netpoll 代码与此类似；如果事件计数大于 0 ，则将 msec 设置为 0；如果事件计数小于或等于 0，则将 msec 设置为-1，然后调用 Gosched() 以主动退出当前 goroutine。

var msec = -1
for {
   n, err = syscall.EpollWait(epfd, events, msec)
   if n <= 0 {
       msec = -1
       runtime.Gosched()
       continue
   }
   msec = 0
   ...
}

不过，nbio 中的自愿切换代码已被注释掉。根据作者的解释，最初他参考了字节跳动的方法，并添加了自愿切换功能。

不过，在对 nbio 进行性能测试时发现，添加或不添加自愿切换功能对性能并无明显影响，因此最终决定将其删除。

事件处理部分

如果是可读事件，则可以通过内置或自定义内存分配器获取相应的缓冲区，然后调用 ReadAndGetConn 读取数据，无需每次都分配缓冲区。

如果是可写事件，则会调用 flush 发送缓冲区中未发送的数据。

func (c *Conn) flush() error {
   //.....
   old := c.writeBuffer
   n, err := c.doWrite(old)
   if err != nil && !errors.Is(err, syscall.EINTR) && !errors.Is(err, syscall.EAGAIN) {
     //.....
   }

   if n < 0 {
     n = 0
   }
   left := len(old) - n
   // 描述尚未完成，因此将其余部分存储在writeBuffer中以备下次写入。
   if left > 0 {
     if n > 0 {
       c.writeBuffer = mempool.Malloc(left)
       copy(c.writeBuffer, old[n:])
       mempool.Free(old)
     }
     // c.modWrite()
   } else {
     mempool.Free(old)
     c.writeBuffer = nil
     if c.wTimer != nil {
       c.wTimer.Stop()
       c.wTimer = nil
     }
     // 解释完成后，首先将conn重置为仅读取事件。
     c.resetRead()
     //...
   }

   c.mux.Unlock()
   return nil
}

逻辑也很简单，有多少就写多少，如果写不完，就把剩余数据放回 writeBuffer，然后在 epollWait 触发时再次写入。

如果写入完成，则不再有数据要写入，将此连接的事件重置为读取事件。

主逻辑基本上就是这样。

等等，最初提到有新连接进入时，只注册了连接的读事件，并没有注册写事件。写事件是什么时候注册的？

当然是在调用 conn.Write 时注册的。

g := nbio.NewGopher(nbio.Config{
   Network:            "tcp",
   Addrs:              []string{":8888"},
   MaxWriteBufferSize: 6 * 1024 * 1024,
 })

g.OnData(func(c *nbio.Conn, data []byte) {
   c.Write(append([]byte{}, data...))
})

当 Conn 数据到达时，底层会在读取数据后回调 OnData 函数，此时可以调用 Write 向另一端发送数据。

g := nbio.NewGopher(nbio.Config{
     Network:            "tcp",
     Addrs:              []string{":8888"},
     MaxWriteBufferSize: 6 * 1024 * 1024,
   })

g.OnData(func(c *nbio.Conn, data []byte) {
   c.Write(append([]byte{}, data...))
})

// 当数据到达conn时，底层将读取数据并回调OnData函数。此时，您可以调用Write来向另一端发送数据。
func (c *Conn) Write(b []byte) (int, error) {
   //....
   n, err := c.write(b)
   if err != nil && !errors.Is(err, syscall.EINTR) && !errors.Is(err, syscall.EAGAIN) {
     //.....
     return n, err
   }

   if len(c.writeBuffer) == 0 {
     if c.wTimer != nil {
       c.wTimer.Stop()
       c.wTimer = nil
     }
   } else {
     //仍然有数据未写入，添加写事件。
     c.modWrite()
   }
   //.....
   return n, err
}
 
func (c *Conn) write(b []byte) (int, error) {
   //...
   if len(c.writeBuffer) == 0 {
     n, err := c.doWrite(b)
     if err != nil && !errors.Is(err, syscall.EINTR) && !errors.Is(err, syscall.EAGAIN) {
       return n, err
     }
     //.....
     
     left := len(b) - n
     // 未完成，将剩余数据写入writeBuffer。
     if left > 0 && c.typ == ConnTypeTCP {
       c.writeBuffer = mempool.Malloc(left)
       copy(c.writeBuffer, b[n:])
       c.modWrite()
     }
     return len(b), nil
   }
   // 如果writeBuffer中仍有未写入的数据，则还将追加新数据。
   c.writeBuffer = mempool.Append(c.writeBuffer, b...)

   return len(b), nil
}

当数据未完全写入时，剩余数据将被放入 writeBuffer，触发执行 modWrite，并将 conn 的写入事件注册到 epoll。

总结

与 evio 相比，nbio 没有蜂群效应。

Evio 通过不断唤醒无效的 epoll 来实现逻辑正确性。Nbio 尽量减少系统调用，减少不必要的开销。

在可用性方面，nbio 实现了标准库 net.Conn，许多设置都是可配置的，允许用户进行高度灵活的定制。

预分配缓冲区用于读写操作，以提高应用程序性能。

总之，nbio 是个不错的高性能无阻塞网络框架。

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你好，我是俞凡，在Motorola做过研发，现在在Mavenir做技术工作，对通信、网络、后端架构、云原生、DevOps、CICD、区块链、AI等技术始终保持着浓厚的兴趣，平时喜欢阅读、思考，相信持续学习、终身成长，欢迎一起交流学习。为了方便大家以后能第一时间看到文章，请朋友们关注公众号"DeepNoMind"，并设个星标吧，如果能一键三连(转发、点赞、在看)，则能给我带来更多的支持和动力，激励我持续写下去，和大家共同成长进步！

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