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【TCP Socket 编程模型】

Socket读操作

【HTTP网络服务】

HTTP客户端

HTTP服务端

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TCP/IP 网络模型实现了两种传输层协议：TCP 和 UDP，其中TCP 是面向连接的流协议，为通信的两端提供稳定可靠的数据传输服务；UDP 提供了一种无需建立连接就可以发送数据包的方法。实现网络编程，不仅可以基于应用层协议的HTTP，也可以直接基于传输层暴露给用户的网络编程接口：Socket（套接字）。socket是一种 IPC 方法。

IPC 是 Inter-Process Communication 的缩写，可以被翻译为进程间通信，主要定义的是多个进程之间相互通信的方法。这些方法主要包括：系统信号（signal）、管道（pipe）、套接字 （socket）、文件锁（file lock）、消息队列（message queue）、信号量（semaphore）等。

关于TCP和UDP以及HTTP的相关术语可以参考：HTTP协议中的响应码和实体数据

【TCP Socket 编程模型】

网络 I/O 模型指的是 应用线程与操作系统内核之间的交互模式，常用的有 阻塞 I/O（Blocking）、非阻塞 I/O（Non-Blocking）、I/O 多路复用（I/O Multiplexing）。

• 阻塞I/O模型：内核一直等到全部数据就绪才返回给发起系统调用的应用线程。一个线程仅能处理一个网络连接上的数据通信，即便连接上没有数据，线程也只能阻塞在对 Socket 的读操作上。虽然这个模型对应用整体来说是低效的，但却是最容易实现和使用的，所以各大平台在默认情况下都将 Socket 设置为阻塞的。
• 非阻塞I/O模型：内核查看数据就绪状态后，即便没有就绪也立即返回错误给发起系统调用的应用线程。位于用户空间的 I/O 请求发起者会通过轮询的方式，去一次次发起 I/O请求，直到读到所需的数据为止。不过这样的轮询会浪费很多CPU计算资源，因此非阻塞 I/O 模型单独应用于实际生产的比例并不高。
• I/O多路复用模型：一个应用线程可以同时处理多个 Socket，并且由内核实现可读/可写事件的通知，避免了非阻塞模型中轮询导致的CPU计算资源浪费的问题。

Go语言的socket服务端程序通常采用一个 Goroutine 处理一个连接，主要关键词是Listen和Accept，实现方式如下：

package main

import (
	"fmt"
	"net"
)

func handleConn(c net.Conn) {
	defer c.Close()
	for {
		//...
	}
}

func main() {
	//使用net包的Listen函数绑定服务器端口8888，并将它转换为监听状态
	l, err := net.Listen("tcp", ":8888")
	if err != nil {
		fmt.Println("listen error:", err)
		return
	}
	for {
		//Listen返回成功后，这个服务会进入一个循环,调用net.Listener 的 Accept 方法接收新客户端连接
		//在没有新连接的时候，这个服务会阻塞在 Accept 调用上，直到有客户端连接上来，Accept 方法将返回一个 net.Conn 实例,用于和新连上的客户端进行通信。
		c, err := l.Accept()
		if err != nil {
			fmt.Println("accept error:", err)
			break
		}

		//这个服务程序启动了一个新 Goroutine，并将 net.Conn 传给这个 Goroutine，这样这个Goroutine 就专门负责处理与这个客户端的通信了。
		go handleConn(c)
	}
}

运行上面的代码后，使用  netstat -an|grep 8888 可以查看端口的监听情况：

当服务端按照上面的Listen + Accept结构成功启动后，客户端就可以使用 net.Dial 或 net.DialTimeout 向服务端发起建立连接的请求。net.Dial函数会接受两个参数，分别名为network和address，都是string类型的。

参数network常用的可选值一共有 9 个，分别代表了程序底层创建的 socket 实例可使用的不同通信协议：

• "tcp"：代表 TCP 协议，其基于的 IP 协议的版本根据参数address的值自适应。
• "tcp4"：代表基于 IP 协议第四版的 TCP 协议。
• "tcp6"：代表基于 IP 协议第六版的 TCP 协议。
• "udp"：代表 UDP 协议，其基于的 IP 协议的版本根据参数address的值自适应。
• "udp4"：代表基于 IP 协议第四版的 UDP 协议。
• "udp6"：代表基于 IP 协议第六版的 UDP 协议。
• "unix"：代表 Unix 通信域下的一种内部 socket 协议，以 SOCK_STREAM 为 socket 类型。
• "unixgram"：代表 Unix 通信域下的一种内部 socket 协议，以 SOCK_DGRAM 为 socket 类型。
• "unixpacket"：代表 Unix 通信域下的一种内部 socket 协议，以 SOCK_SEQPACKET 为 socket 类型。

//Dial 函数向服务端发起 TCP 连接，这个函数会一直阻塞，直到连接成功或失败后，才会返回。
conn, err := net.Dial("tcp", "localhost:8888")
//DialTimeout 带有超时机制，如果连接耗时大于超时时间，这个函数会返回超时错误。
conn, err := net.DialTimeout("tcp", "localhost:8888", 2 * time.Second)

客户端建立连接的几种特殊情况：

• 如果传给Dial的服务端地址是网络不可达，或者服务地址中端口对应的服务并没有启动，端口未被监听（Listen），Dial会立即返回这样的错误：dial error: dial tcp :8888: getsockopt: connection refused
• 当对方服务器很忙，瞬间有大量客户端尝试向服务端建立连接时，服务端可能会出现 listen backlog 队列满，接收连接（accept）不及时的情况，这就会导致客户端的Dial调用阻塞，直
  到服务端进行一次 accept，从 backlog 队列中腾出一个槽位，客户端的 Dial 才会返回成功。如果服务端一直不执行accept操作，那么客户端会阻塞大约1分钟左右才会返回超时错误：dial error: dial tcp :8888: getsockopt: operation timed out
• 如果网络延迟较大，TCP的三次握手过程会经历各种丢包，时间消耗也会更长，这种情况下Dial函数会阻塞。如果经过长时间阻塞后依旧无法建立连接，那么Dial也会返回 getsockopt: operation timed out的错误。

当客户端调用 Dial 成功，就会在客户端与服务端之间建立起一条通信通道，双方通过各自获得的 Socket可以向对方发送数据包，也可以接收来自对方的数据包，双方都会为已建立的连接分配一个发送缓冲区和一个接收缓冲区。

Socket读操作

开发人员只需要采用 Goroutine + 阻塞 I/O 模型，就可以满足大部分场景需求。Dial 连接成功后，会返回一个 net.Conn 接口类型的变量值，这个接口变量的底层类型为一个 *TCPConn，TCPConn“继承”了conn类型的Read和Write方法，后续通过Dial函数返回值调用的Read和Write方法都是net.conn 的方法，它们分别代表了对 socket 的读和写。

//$GOROOT/src/net/tcpsock.go
type TCPConn struct {
    conn //这里的conn是一个非导出类型，封装了底层的 socket
}

 Go 从 socket 读取数据的几种场景：

• Socket 中无数据：连接建立后，如果客户端未发送数据，服务端会阻塞在 Socket 的读操作上，执行这个操作的 Goroutine 也会被挂起。Go 运行时会监视这个 Socket，直到它有数据读事件才会重新调度这个 Socket 对应的 Goroutine 完成读操作。
• Socket 中有部分数据：如果 Socket 中有部分数据就绪，且数据数量小于一次读操作期望读出的数据长度，那么读操作将会成功读出这部分数据并返回，而不是等待期望长度数据全部读取后再返回。
• Socket 中有足够数据：如果连接上有数据，且数据长度大于等于一次Read操作期望读出的数据长度，那么Read将会成功读出这部分数据并返回。
• 设置读操作超时：有些场合对 socket 的读操作的阻塞时间有严格限制的，但由于 Go 使用的是阻塞 I/O 模型，如果没有可读数据，Read 操作会一直阻塞在对 Socket 的读操作上。这时可以通过 net.Conn 提供的 SetReadDeadline 方法，设置读操作的超时时间，当超时后仍然没有数据可读的情况下，Read 操作会解除阻塞并返回超时错误，这就给 Read 方法的调用者提供了处理其他业务逻辑的机会。

 下面代码是结合 SetReadDeadline 设置的服务端一般处理逻辑：

func handleConn(c net.Conn) {
	defer c.Close()
	for {
		//从连接中读取数据
		var buf = make([]byte, 128)
		//SetReadDeadline 方法接收一个绝对时间作为超时的 deadline，一旦设置了，
		//那么无论后续的Read操作是否超时，后面与这个socket有关的所有读操作都会返回超时失败错误。
		//如果要取消超时设置，可以使用 SetReadDeadline(time.Time{})
		c.SetReadDeadline(time.Now().Add(time.Second))
		n, err := c.Read(buf)
		if err != nil {
			fmt.Printf("conn read %d bytes, error: %s", n, err)
			if nerr, ok := err.(net.Error); ok && nerr.Timeout() {
				// 进行其他业务逻辑的处理
				continue
			}
			return
		}
		fmt.Printf("read %d bytes, content is %s\n", n, string(buf[:n]))
	}
}

【HTTP网络服务】

HTTP客户端

HTTP 协议是基于 TCP/IP 协议的，如果只是访问基于 HTTP 协议的网络服务，那么使用net/http代码包中的程序实体会更加便捷。比如使用 http.Get函数获取一个HTTP请求的返回信息，在调用它的时候只需要传给它一个 URL 就可以了：

func testGet() {
	url1 := "https://www.baidu.com"
	//http.Get函数会返回两个结果值:第一个结果值的类型是*http.Response，表示网络服务传回来的响应内容的结构化表示;
	//第二个结果值是error类型的，表示在创建和发送HTTP请求以及接收和解析HTTP响应的过程中可能发生的错误。
	resp1, err := http.Get(url1)
	if err != nil {
		fmt.Printf("请求发送失败: %v\n", err)
	}
	defer resp1.Body.Close()
	line1 := resp1.Proto + " " + resp1.Status
	fmt.Printf("返回内容:%s\n", line1) //HTTP/1.1 200 OK
}
func main() {
	testGet()
}

HTTP服务端

http.Server类型是基于 HTTP 协议的服务端，其中ListenAndServe方法的功能是：监听一个基于 TCP 协议的网络地址，并对接收到的 HTTP 请求进行处理。该方法会一直执行，直到有严重的错误发生或者被外界关掉。

func httpServer1() {
	http.HandleFunc("/", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
		fmt.Fprintf(w, "用户名: %s", r.URL.Path[1:])
	})
	http.ListenAndServe(":8080", nil)
}
func main() {
	httpServer1()
}

启动后,浏览器输入 http://localhost:8080/zhangsan

源代码：https://gitee.com/rxbook/go-demo-2023/tree/master/basic/go04/net