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8.1 Socket编程

8.1 Socket编程

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

图8.1 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

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)

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)

接下来我们写一个简单的例子,模拟一个基于HTTP协议的客户端请求去连接一个Web服务端。我们要写一个简单的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

我们的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)
    }
}

通过上面的代码我们可以看出: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来发送请求信息,最后通过ioutil.ReadAllconn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)) // don't care about return value
        conn.Close()                // we're finished with this client
    }
}
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)) // don't care about return value
    // we're finished with this client
}
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"
)

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)) // set 2 minutes timeout
    request := make([]byte, 128) // set maxium request length to 128KB to prevent flood attack
    defer conn.Close()  // close connection before exit
    for {
        read_len, err := conn.Read(request)

        if err != nil {
            fmt.Println(err)
            break
        }

        if read_len == 0 {
            break // connection already closed by client
        } else if string(request) == "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) // clear last read content
    }
}

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。

更多的内容请查看net包的文档。

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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