由于最近有接触到一些长连接的服务器实现,对网络模型有所学习。对基于C/C++的网络模型实现和基于GoLang的实现对比下来,发现Golang的网络模型编程难度大大降低,这得益于Golang的goroutine
,可以在编程的时候肆无忌惮的创建并发"线程",当服务器能为每一个客户端都开启若干"线程"的话,编程变的简单很多。
传统语言的网络层处理
服务需要同时服务N个客户端,所以传统的编程方式是采用IO复用,这样在一个线程中对N个套接字进行事件捕获,当读写事件产生后再真正read()
或者write()
,这样才能提高吞吐:
上图中:
绿色线程为接受客户端TCP链接的线程,使用阻塞的调用
socket.accept()
,当有新的连接到来后,将socket
对象conn
加入IO复用队列。紫色线程为IO复用的阻塞调用,通常采用
epoll
等系统调用实现IO复用。当IO复用队列中的任意socket
有数据到来,或者写缓冲区空闲时可触发epoll
调用的返回,否则阻塞epoll
调用。数据的实际发送和接收都在紫色线程中完成。所以为了提高吞吐,对某个socket的read
和write
都应该使用非阻塞的模式,这样才能最大限度的提高系统吞吐。例如,假设正在对某个socket调用阻塞的write
,当数据没有完全发送完成前,write
将无法返回,从而阻止了整个epoll
进入下一个循环,如果这个时候其他的socket
有读就绪的话,将无法第一时间响应。所以非阻塞的读写将在某个fd读写较慢的时候,立刻返回,而不会一直等到读写结束。这样才能提高吞吐。然而,采用非阻读写将大大提高编程难度。紫色线程负责将数据进行解码并放入队列中,等待工作线程处理;工作线程有数据要发送时,也将数据放入发送队列,并通过某种机制通知紫色线程对应的socket有数据要写,进而使得数据在紫色线程中写入socket。
这种模型的编程难度主要体现在:
线程少(也不能太多),导致一个线程需要处理多个描述符,从而存在对描述符状态的维护问题。甚至,业务层面的会话等都需要小心维护
非阻塞IO调用,使描述符的状态更为复杂
队列的同步处理
不得不说,能用C或C++来写服务器的是真大神!
Golang的goroutine
Golang
是一门比较新的语言,正在快速的发展。Golang
从语言层面支持一种叫协程
的轻量级线程模型,称为goroutine
。当我们创建协程时,实际并不会创建操作系统的线程,Golang会使用现有的线程来调度协程。也就是说,从程序员的角度,协程是并发执行的,好像线程一下,而从操作系统的角度来看,程序可能只有几个线程在运行。在同一个应用程序中,协程可以有成千上万个!所以可以有成千上万个并发任务,而这些任务的调度又十分轻量,比线程调度轻量的多的多。所以从程序员的角度,使用Golang就可以在一个应用程序中同时开启成千上万个并发任务。简直逆天!
在Golang中使用go
关键字来开启一个goroutine
:
func main() {
log.Println("Hello, world")
netListen, err := net.Listen("tcp", "localhost:4000")
if err != nil {
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Fatal error: %s", err.Error())
os.Exit(1)
}
defer netListen.Close()
log.Println("Waiting for clients")
for {
conn, err := netListen.Accept()
if err != nil {
continue
}
log.Println(conn.RemoteAddr().String(), " tcp connect success")
go handleConnection(conn)
}
}
func handleConnection(conn net.Conn) {
...
}
Golang的channel
除了对并发的支持外,Golang中有一种叫channel
的并发同步机制。channel
类似队列,是goroutine
安全的。所以结合goroutine
和channel
可以轻而易举的实现并发编程。
Golang如何实现网络层
通过参考多个Golang的开源程序,笔者得出的结论是:肆无忌惮的用goroutine
吧。于是一个Golang版的网络模型大致是这样的:
上图是单个客户端连接的服务器模块结构,同样的一个颜色代表一个协程:
绿色
goroutine
依然是接受TCP链接当完成握手
accept
返回conn
对象后,使用一个单独的goroutine
来阻塞读
(紫色),使用一个单独的goroutine
来阻塞写
(红色)读到的数据通过解码后放入
读channel
,并由蓝色的goroutine
来处理需要写数据时,蓝色的
goroutine
将数据写入写channel
,从而触发红色的goroutine
编码并写入conn
可以看到,针对一个客户端,服务端至少有3个goroutine
在单独为这个客户端服务。如果从线程的角度来看,简直是浪费啊,然而这就是协程的好处。这个模型很容易理解,因为跟人们的正常思维方式是一致的。并且都是阻塞的调用,所以无需维护状态。
再来看看多个客户端的情况:
在多个客户端之间,虽然用了相同的颜色表示goroutine
,但实际上他们都是独立的goroutine
,可以想象goroutine
的数量将是惊人的。然而,根本不用担心!这样的应用程序可能真正的线程只有几个而已。
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