深入Go语言网络库的基础实现
Go语言的出现，让我见到了一门语言把网络编程这件事情给做“正确”了，当然，除了Go语言以外，还有很多语言也把这件事情做”正确”了。我一直坚持着这样的理念——要做”正确”的事情，而不是”高性能”的事情；很多时候，我们在做系统设计、技术选型的时候，都被“高性能”这三个字给绑架了，当然不是说性能不重要，你懂的。
目前很多高性能的基础网络服务器都是采用的C语言开发的，比如：Nginx、Redis、memcached等，它们都是基于”事件驱动 + 事件回调函数”的方式实现，也就是采用epoll等作为网络收发数据包的核心驱动。不少人(包括我自己)都认为“事件驱动 + 事件回调函数”的编程方法是“反人类”的；因为大多数人都更习惯线性的处理一件事情，做完第一件事情再做第二件事情，并不习惯在N件事情之间频繁的切换干活。为了解决程序员在开发服务器时需要自己的大脑不断的“上下文切换”的问题，Go语言引入了一种用户态线程goroutine来取代编写异步的事件回调函数，从而重新回归到多线程并发模型的线性、同步的编程方式上。
用Go语言写一个最简单的echo服务器：
main函数的过程就是首先创建一个监听套接字，然后用一个for循环不断的从监听套接字上Accept新的连接，最后调用echoFunc函数在建立的连接上干活。关键代码是:
1 | go echoFunc(conn) |
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每收到一个新的连接，就创建一个“线程”去服务这个连接，因此所有的业务逻辑都可以同步、顺序的编写到echoFunc函数中，再也不用去关心网络IO是否会阻塞的问题。不管业务多复杂，Go语言的并发服务器的编程模型都是长这个样子。可以肯定的是，在linux上Go语言写的网络服务器也是采用的epoll作为最底层的数据收发驱动，Go语言网络的底层实现中同样存在“上下文切换”的工作，只是这个切换工作由runtime的调度器来做了，减少了程序员的负担。
弄明白网络库的底层实现，貌似只要弄清楚echo服务器中的Listen、Accept、Read、Write四个函数的底层实现关系就可以了。本文将采用自底向上的方式来介绍，也就是从最底层到上层的方式，这也是我阅读源码的方式。底层实现涉及到的核心源码文件主要有： net/fd_unix.go net/fd_poll_runtime.go runtime/netpoll.goc runtime/netpoll_epoll.c runtime/proc.c (调度器)
netpoll_epoll.c文件是Linux平台使用epoll作为网络IO多路复用的实现代码，这份代码可以了解到epoll相关的操作（比如：添加fd到epoll、从epoll删除fd等），只有4个函数，分别是runtime·netpollinit、runtime·netpollopen、runtime·netpollclose和runtime·netpoll。init函数就是创建epoll对象，open函数就是添加一个fd到epoll中，close函数就是从epoll删除一个fd，netpoll函数就是从epoll wait得到所有发生事件的fd，并将每个fd对应的goroutine(用户态线程)通过链表返回。用epoll写过程序的人应该都能理解这份代码，没什么特别之处。
1234567891011121314 | voidruntime·netpollinit(void){ epfd = runtime·epollcreate1(EPOLL_CLOEXEC); if(epfd >= 0) return; epfd = runtime·epollcreate(1024); if(epfd >= 0) { runtime·closeonexec(epfd); return; } runtime·printf("netpollinit: failed to create descriptor (%d)\n", -epfd); runtime·throw("netpollinit: failed to create descriptor");} |
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runtime·netpollinit函数首先使用runtime·epollcreate1创建epoll实例，如果没有创建成功，就换用runtime·epollcreate再创建一次。这两个create函数分别等价于glibc的epoll_create1和epoll_create函数。只是因为Go语言并没有直接使用glibc，而是自己封装的系统调用，但功能是等价于glibc的。可以通过man手册查看这两个create的详细信息。
1234567891011 | int32runtime·netpollopen(uintptr fd, PollDesc *pd){ EpollEvent ev; int32 res; ev.events = EPOLLIN|EPOLLOUT|EPOLLRDHUP|EPOLLET; ev.data = (uint64)pd; res = runtime·epollctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, (int32)fd, &ev); return -res;} |
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添加fd到epoll中的runtime·netpollopen函数可以看到每个fd一开始都关注了读写事件，并且采用的是边缘触发，除此之外还关注了一个不常见的新事件EPOLLRDHUP，这个事件是在较新的内核版本添加的，目的是解决对端socket关闭，epoll本身并不能直接感知到这个关闭动作的问题。注意任何一个fd在添加到epoll中的时候就关注了EPOLLOUT事件的话，就立马产生一次写事件，这次事件可能是多余浪费的。
epoll操作的相关函数都会在事件驱动的抽象层中去调用，为什么需要这个抽象层呢？原因很简单，因为Go语言需要跑在不同的平台上，有Linux、Unix、Mac OS X和Windows等，所以需要靠事件驱动的抽象层来为网络库提供一致的接口，从而屏蔽事件驱动的具体平台依赖实现。runtime/netpoll.goc源文件就是整个事件驱动抽象层的实现，抽象层的核心数据结构是：
1234567891011121314 | struct PollDesc{ PollDesc* link; // in pollcache, protected by pollcache.Lock Lock; // protectes the following fields uintptr fd; bool closing; uintptr seq; // protects from stale timers and ready notifications G* rg; // G waiting for read or READY (binary semaphore) Timer rt; // read deadline timer (set if rt.fv != nil) int64 rd; // read deadline G* wg; // the same for writes Timer wt; int64 wd;}; |
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每个添加到epoll中的fd都对应了一个PollDesc结构实例，PollDesc维护了读写此fd的goroutine这一非常重要的信息。可以大胆的推测一下，网络IO读写操作的实现应该是：当在一个fd上读写遇到EAGAIN错误的时候，就将当前goroutine存储到这个fd对应的PollDesc中，同时将goroutine给park住，直到这个fd上再此发生了读写事件后，再将此goroutine给ready激活重新运行。事实上的实现大概也是这个样子的。
事件驱动抽象层主要干的事情就是将具体的事件驱动实现（比如： epoll）通过统一的接口封装成Go接口供net库使用，主要的接口也是：创建事件驱动实例、添加fd、删除fd、等待事件以及设置DeadLine。runtime_pollServerInit负责创建事件驱动实例，runtime_pollOpen将分配一个PollDesc实例和fd绑定起来，然后将fd添加到epoll中，runtime_pollClose就是将fd从epoll中删除，同时将删除的fd绑定的PollDesc实例删除，runtime_pollWait接口是至关重要的，这个接口一般是在非阻塞读写发生EAGAIN错误的时候调用，作用就是park当前读写的goroutine。
runtime中的epoll事件驱动抽象层其实在进入net库后，又被封装了一次，这一次封装从代码上看主要是为了方便在纯Go语言环境进行操作，net库中的这次封装实现在net/fd_poll_runtime.go文件中，主要是通过pollDesc对象来实现的：
123 | type pollDesc struct { runtimeCtx uintptr} |
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注意：此处的pollDesc对象不是上文提到的runtime中的PollDesc，相反此处pollDesc对象的runtimeCtx成员才是指向的runtime的PollDesc实例。pollDesc对象主要就是将runtime的事件驱动抽象层给再封装了一次，供网络fd对象使用。
1234567891011 | var serverInit sync.Once func (pd *pollDesc) Init(fd *netFD) error { serverInit.Do(runtime_pollServerInit) ctx, errno := runtime_pollOpen(uintptr(fd.sysfd)) if errno != 0 { return syscall.Errno(errno) } pd.runtimeCtx = ctx return nil} |
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pollDesc对象最需要关注的就是其Init方法，这个方法通过一个sync.Once变量来调用了runtime_pollServerInit函数，也就是创建epoll实例的函数。意思就是runtime_pollServerInit函数在整个进程生命周期内只会被调用一次，也就是只会创建一次epoll实例。epoll实例被创建后，会调用runtime_pollOpen函数将fd添加到epoll中。
网络编程中的所有socket fd都是通过netFD对象实现的，netFD是对网络IO操作的抽象，linux的实现在文件net/fd_unix.go中。netFD对象实现有自己的init方法，还有完成基本IO操作的Read和Write方法，当然除了这三个方法以外，还有很多非常有用的方法供用户使用。
1234567891011121314151617 | // Network file descriptor.type netFD struct { // locking/lifetime of sysfd + serialize access to Read and Write methods fdmu fdMutex // immutable until Close sysfd int family int sotype int isConnected bool net string laddr Addr raddr Addr // wait server pd pollDesc} |
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通过netFD对象的定义可以看到每个fd都关联了一个pollDesc实例，通过上文我们知道pollDesc对象最终是对epoll的封装。
123456 | func (fd *netFD) init() error { if err := fd.pd.Init(fd); err != nil { return err } return nil} |
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netFD对象的init函数仅仅是调用了pollDesc实例的Init函数，作用就是将fd添加到epoll中，如果这个fd是第一个网络socket fd的话，这一次init还会担任创建epoll实例的任务。要知道在Go进程里，只会有一个epoll实例来管理所有的网络socket fd，这个epoll实例也就是在第一个网络socket fd被创建的时候所创建。
12345678910111213 | for { n, err = syscall.Read(int(fd.sysfd), p) if err != nil { n = 0 if err == syscall.EAGAIN { if err = fd.pd.WaitRead(); err == nil { continue } } } err = chkReadErr(n, err, fd) break} |
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上面代码段是从netFD的Read方法中摘取，重点关注这个for循环中的syscall.Read调用的错误处理。当有错误发生的时候，会检查这个错误是否是syscall.EAGAIN，如果是，则调用WaitRead将当前读这个fd的goroutine给park住，直到这个fd上的读事件再次发生为止。当这个socket上有新数据到来的时候，WaitRead调用返回，继续for循环的执行。这样的实现，就让调用netFD的Read的地方变成了同步“阻塞”方式编程，不再是异步非阻塞的编程方式了。netFD的Write方法和Read的实现原理是一样的，都是在碰到EAGAIN错误的时候将当前goroutine给park住直到socket再次可写为止。
本文只是将网络库的底层实现给大体上引导了一遍，知道底层代码大概实现在什么地方，方便结合源码深入理解。Go语言中的高并发、同步阻塞方式编程的关键其实是”goroutine和调度器”，针对网络IO的时候，我们需要知道EAGAIN这个非常关键的调度点，掌握了这个调度点，即使没有调度器，自己也可以在epoll的基础上配合协程等用户态线程实现网络IO操作的调度，达到同步阻塞编程的目的。
最后，为什么需要同步阻塞的方式编程？只有看多、写多了异步非阻塞代码的时候才能够深切体会到这个问题。真正的高大上绝对不是——“别人不会，我会；别人写不出来，我写得出来。”