Go netpoll （上篇）- 数据结构和初始化

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2023年6月13日18:14:52评论15 views字数 8781阅读29分16秒阅读模式

概述

下面是一个基础的服务器网络程序，主要包含如下功能:

监听 TCP 连接，绑定 8888 端口
收到新的客户端连接后，启动一个新的 goroutine 进行处理
收到客户端的数据后，不做任何处理，原样返回

package main

import (
 "log"
 "net"
)

func main() {
 // 初始化监听
 listener, err := net.ListenTCP("tcp", &net.TCPAddr{
  IP:   []byte("127.0.0.1"),
  Port: 8888,
 })
 if err != nil {
  panic(err)
 }

 for {
  // 接收请求
  conn, err := listener.Accept()
  if err != nil {
   panic(err)
  }

  // 启动 1 个 goroutine 处理请求
  go handle(conn)
 }
}

// 处理客户端连接请求
func handle(conn net.Conn) {
 defer func() {
  _ = conn.Close()
 }()

 buf := make([]byte, 1024)
 for {
  // 接收数据
  n, err := conn.Read(buf[:])
  if err != nil {
   log.Printf("conn Read %v", err)
   break
  }
  // 如果接收到了数据，原样返回
  if n > 0 {
   // 发送数据
   _, err = conn.Write(buf)
  }
 }
}

上述代码采用了类似 同步模型 代码的方式实现了功能，但是这种方式真的可以支撑高性能网络编程吗？答案就在隐藏在同步模型后面的底层系统调用和网络轮询器。

前置知识复习

在正式开始研究源代码之前，先来复习两个基础知识点。

1. 多路复用接口

I/O 多路复用于处理同一个事件循环中的多个 I/O 事件，这里的「多路」指多个 IO 事件，「复用」指处理事件的程序 (线程) 是同一个。

Go 网络标准库和一般的 接口 约束形式不同，并没有明确给出具体的 多路复用接口，但是不同平台上面都实现了如下几个方法:

// 初始化网络轮询器 
func netpollinit() {}

// 检测网络文件描述符是否被网络轮询器使用
func netpollIsPollDescriptor(fd uintptr) bool {}

// 创建监听事件并监听网络文件描述符
func netpollopen(fd uintptr, pd *pollDesc) int32 {}

// 删除网络文件描述符
func netpollclose(fd uintptr) int32 {}

// 检测网络轮询器并返回已经就绪的 goroutine 列表
func netpoll(delay int64) gList {}

// 唤醒网络轮询器
func netpollBreak() {}

例如 Linux 实现直接复用了底层 epoll 的相关方法, 方法定义在 $GOROOT/src/runtime/netpoll_epoll.go 文件中，MacOS 实现直接复用了底层 kqueue, 方法定义在 $GOROOT/src/runtime/netpoll_kqueue.go 文件中，其他平台以此类推。

最后，编译器利用条件编译规则，根据不同的平台编译对应的代码，例如 Linux 直接编译 $GOROOT/src/runtime/netpoll_epoll.go 文件。

2. epoll API

epoll 是 Linux 系统提供的一种 I/O 多路复用机制，它可以同时监听多个文件描述符的 I/O 事件，当其中任意一个文件描述符发生 I/O 事件时，就会触发相应的回调函数。与传统的 select 和 poll 模型相比，epoll 的性能更好，具有更高的可扩展性和更好的业务逻辑处理能力。

epoll 的三个核心 API 如下:

epoll_create: 创建一个新的 epoll 实例，返回一个 epoll 文件描述符，该文件描述符可用于 epoll_ctl 和 epoll_wait 函数调用
epoll_ctl : 管理 epoll 实例中的所有文件描述符 (内部使用红黑树数据结构进行管理)，可以注册、修改或删除要监听的文件描述符，设置相应的事件类型和回调函数
epoll_wait : 等待任意文件描述符监听的事件发生，当有事件触发时，函数返回一个非零值，并将所有到达的事件按顺序存入队列 (数组) 中

内部实现

结合文章开头的示例代码，接下来我们一起探究 网络轮询器 的内部实现，相关文件目录为 $GOROOT/src/runtime，笔者的 Go 版本为 go1.19 linux/amd64。

本文着重分析一下 netpoll 的数据结构以及 IO 读写流程中涉及到的一些底层方法。

文件描述符数据结构

文件描述符

FD 对象表示最基础的文件描述符抽象，net 和 os 包使用该类型来表示网络连接或操作系统文件。

type FD struct {
 // 对 Sysfd 加锁，串行化 Read 和 Write
 fdmu fdMutex

 // 操作系统的文件描述符
 Sysfd int

 // 网络轮询 IO 描述符
 pd pollDesc

 // 描述符关闭信号
 csema uint32

 // 是否阻塞模式
 isBlocking uint32

 // 区分当前描述符是一个 stream, 还是一个基于包的描述符 (区分 TCP/UDP)
 // 不可变
 IsStream bool

 // 读取零字节是否表示 EOF
 ZeroReadIsEOF bool

 // 区分当前描述符是一个文件，还是一个 socket
 isFile bool
}

文件描述符初始化方法如下:

func (fd *FD) Init(net string, pollable bool) error {
    ...
 err := fd.pd.init(fd)
    ...
 return err
}

网络文件描述符

netFD 对象表示网络文件描述符。

type netFD struct {
 pfd poll.FD // 包装了一个 FD 结构体

 // 下列字段在 Close 之前不可变
 family      int
 sotype      int
 isConnected bool
 net         string
 laddr       Addr
 raddr       Addr
}

newFD 方法实例化一个 netFD 对象，并返回该对象的指针。

func newFD(sysfd, family, sotype int, net string) (*netFD, error) {
 ret := &netFD{
  ...
 }
 return ret, nil
}

网络文件描述符方法如下:

func (fd *netFD) init() error {
 return fd.pfd.Init(fd.net, true)
}

网络轮询 IO 文件描述符

pollDesc 对象表示网络轮询 IO 文件描述符，主要用于被 Go 的网络轮询器监听状态变化，是网络底层实现中的核心对象。

这里有一个需要学习的知识点: rg 字段和 wg 字段的数据类型都是 atomic.Uintptr, 而且可以用来表示 4 种数据:

pdReady 信号
pdWait 信号
goroutine
nil

// pollDesc 包含两种信号量，rg 和 wg, 可以表示多种状态
// Tips: 通过将字段设置为 atomic.Uintptr 类型 (效果和 guintptr 类似)，可以支持多种类型表示

// 几种信号量状态:
// pdReady - IO 准备就绪
// pdWait - goroutine 准备休眠  
// G pointer - goroutine 阻塞
const (
    pdReady uintptr = 1
    pdWait  uintptr = 2
)

type pollDesc struct {
 link *pollDesc // 链表结构 (后面的元素) 指针
 fd   uintptr   
 
 atomicInfo atomic.Uint32
 
 rg atomic.Uintptr // 表示信号量，可能为 pdReady、pdWait、等待文件描述符可读的 goroutine 或者 nil
 wg atomic.Uintptr // 表示信号量，可能为 pdReady、pdWait、等待文件描述符可写的 goroutine 或者 nil

 lock    mutex     // 保护下面的字段
 closing bool
 rseq    uintptr   // 表示文件描述符被重用或者计时器被重置
 rt      timer     // 可读截至时间计时器
 rd      int64     // 等待文件描述符可读截至时间，-1 表示过期 (goroutine 被唤醒)
 wseq    uintptr   // 表示文件描述符被重用或者计时器被重置
 wt      timer     // 可写截至时间计时器
 wd      int64     // 等待文件描述符可写截至时间，-1 表示过期 (goroutine 被唤醒)
}

轮询文件描述符管理

pollCache 对象用来管理网络 IO 文件描述符，内置了一个互斥锁字段和一个 pollDesc 对象链表。

type pollCache struct {
 lock  mutex
 // 指向一个 pollDesc 链表
 first *pollDesc
}

数据结构图

Go netpoll （上篇）- 数据结构和初始化

网络文件描述符

Listen 流程

Go netpoll （上篇）- 数据结构和初始化

TCP 监听流程图

Listener 接口

type Listener interface {
 // 返回一个实现了 Conn 接口的连接实例
 Accept() (Conn, error)
 
 Close() error
 
 Addr() Addr
}

TCP 监听对象

type TCPListener struct {
 // 包装了一个 netFD 对象
 fd *netFD   
 lc ListenConfig
}

TCP 监听

ListenTCP 方法返回一个 TCP 监听对象的指针。

func ListenTCP(network string, laddr *TCPAddr) (*TCPListener, error) {
 ...
 
 sl := &sysListener{network: network, address: laddr.String()}
 ln, err := sl.listenTCP(context.Background(), laddr)
 
 ...

 return ln, nil
}

func (sl *sysListener) listenTCP(ctx context.Context, laddr *TCPAddr) (*TCPListener, error) {
 fd, err := internetSocket(ctx, sl.network, laddr, nil, syscall.SOCK_STREAM, 0, "listen", sl.ListenConfig.Control)
    
 ...
 
 return &TCPListener{fd: fd, lc: sl.ListenConfig}, nil
}

func internetSocket(ctx context.Context, net string, laddr, raddr sockaddr, sotype, proto int, mode string, ctrlFn func(string, string, syscall.RawConn) error) (fd *netFD, err error) {
 ...
 
 family, ipv6only := favoriteAddrFamily(net, laddr, raddr, mode)
 return socket(ctx, net, family, sotype, proto, ipv6only, laddr, raddr, ctrlFn)
}

获取系统配置

listenerBacklog 方法缓存了系统全连接队列配置参数值，内部通过内嵌 sync.Once 的方式，保证了仅调用一次 maxListenerBacklog 方法。

func listenerBacklog() int {
 listenerBacklogCache.Do(func() { listenerBacklogCache.val = maxListenerBacklog() })
 return listenerBacklogCache.val
}

maxListenerBacklog 方法用于获取系统全连接队列配置参数值。

// Linux 读取配置文件
func maxListenerBacklog() int {
 fd, err := open("/proc/sys/net/core/somaxconn")
 ...
 n, _, ok := dtoi(f[0])
 return n
}

创建 socket

socket 方法返回一个网络文件描述符，该描述符使用网络轮询器异步接收数据。

func socket(ctx context.Context, net string, family, sotype, proto int, ipv6only bool, laddr, raddr sockaddr, ctrlFn func(string, string, syscall.RawConn) error) (fd *netFD, err error) {
 // 使用系统调用创建一个 socket 文件描述符
 // 并将 socket 文件描述符包装为 netFD 对象 
 s, err := sysSocket(family, sotype, proto)
 if fd, err = newFD(s, family, sotype, net); err != nil {
     poll.CloseFunc(s)
     return nil, err
 }
 
 ...

 if laddr != nil && raddr == nil {
  switch sotype {
   // 基于流: TCP
   case syscall.SOCK_STREAM, syscall.SOCK_SEQPACKET:
     // 1. 获取系统配置
     // 2. 绑定并监听端口
     if err := fd.listenStream(laddr, listenerBacklog(), ctrlFn); err != nil {
        ...
     }
  
   // 基于数据报: UDP
   case syscall.SOCK_DGRAM:
      ...
   }
 }

 return fd, nil
}

绑定并监听端口

listenStream 方法内部实现了 TCP 的绑定端口和监听端口，并完成了 epoll 的初始化工作。

func (fd *netFD) listenStream(laddr sockaddr, backlog int, ctrlFn func(string, string, syscall.RawConn) error) error {
 ...
 
 var lsa syscall.Sockaddr
 if lsa, err = laddr.sockaddr(fd.family); err != nil {
  return err
 }

 ...
 
 // 绑定端口由系统调用实现
 if err = syscall.Bind(fd.pfd.Sysfd, lsa); err != nil {
  return os.NewSyscallError("bind", err)
 }
 // 监听端口由系统调用实现
 if err = listenFunc(fd.pfd.Sysfd, backlog); err != nil {
  return os.NewSyscallError("listen", err)
 }
 // 初始化 epoll
 if err = fd.init(); err != nil {
    return err
 }
 
 ...
 
 return nil
}

epoll 初始化

serverInit 类型是 sync.Once 的类型别名，保证了 poll_runtime_pollServerInit 方法只会被调用一次 (也就是单个进程全局只有一个 epoll 实例，避免惊群效应)。

func (pd *pollDesc) init(fd *FD) error {
 // runtime_pollServerInit 通过链接器指向了 poll_runtime_pollServerInit
 // 初始化 epoll
 serverInit.Do(runtime_pollServerInit)
 
 // runtime_pollOpen 通过链接器指向了 poll_runtime_pollOpen
 // 将文件描述符加入 epoll 监听
 ctx, errno := runtime_pollOpen(uintptr(fd.Sysfd))
 ....
 return nil
}

func poll_runtime_pollServerInit() {
 netpollGenericInit()
}

func netpollGenericInit() {
 if atomic.Load(&netpollInited) == 0 {
        ...
  if netpollInited == 0 {
   netpollinit()
  }
  ...
 }
}

netpollinit 方法实现了 多路复用接口，主要用于网络轮询器 epoll 具体的初始化工作，和上面的 netpollGenericInit 方法一样，该方法也只会被调用一次。

var (
    // epoll 全局对象 (也是一个文件描述符)
    // 相当于调用 epoll_create 函数返回的对象
    // 后续的 epoll_ctl, epoll_wait 函数都是基于这个对象操作的
    epfd int32 = -1

    // 数据读写管道
    netpollBreakRd, netpollBreakWr uintptr

    // 标识变量，避免重复调用 netpollBreak 方法
    netpollWakeSig uint32
)

func netpollinit() {
    // 创建 epoll 描述符，赋值到全局变量 epfd
    epfd = epollcreate1(_EPOLL_CLOEXEC)
    if epfd < 0 {
      epfd = epollcreate(1024)
      ...
    }

    // 创建一个通信管道
    r, w, errno := nonblockingPipe()

   ...

    // 将用于读取数据的文件描述符转换为 epollevent 结构，进行监听
    ev := epollevent{
      events: _EPOLLIN,
    }
    *(**uintptr)(unsafe.Pointer(&ev.data)) = &netpollBreakRd

    errno = epollctl(epfd, _EPOLL_CTL_ADD, r, &ev)

    ...

    netpollBreakRd = uintptr(r)
    netpollBreakWr = uintptr(w)
}

netpollopen 方法实现了 多路复用接口，将新的文件描述符和监听事件加入到全局变量 epfd 表示的网络轮询文件描述符。

func poll_runtime_pollOpen(fd uintptr) (*pollDesc, int) {
    ...
    errno := netpollopen(fd, pd)
    ...
}

func netpollopen(fd uintptr, pd *pollDesc) int32 {
    var ev epollevent
    ev.events = _EPOLLIN | _EPOLLOUT | _EPOLLRDHUP | _EPOLLET
    *(**pollDesc)(unsafe.Pointer(&ev.data)) = pd
    return -epollctl(epfd, _EPOLL_CTL_ADD, int32(fd), &ev)
}

小结

ListenTCP 方法内部实现了创建 socket，绑定端口，监听端口三个操作，相对于传统的 C 系列语言编程，将初始化过程简化为一个方法 API, 当方法执行完成后，epoll 也已经完成初始化工作，进入轮询状态等待连接到来以及 IO 事件。

Go netpoll （上篇）- 数据结构和初始化

ListenTCP

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Go netpoll （上篇）- 数据结构和初始化

概述

前置知识复习

1. 多路复用接口

2. epoll API

内部实现

文件描述符数据结构

文件描述符

网络文件描述符

网络轮询 IO 文件描述符

轮询文件描述符管理

数据结构图

Listen 流程

Listener 接口

TCP 监听对象

TCP 监听

获取系统配置

创建 socket

绑定并监听端口

epoll 初始化

小结

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