# 8.1 Socket編程 在很多底層網絡應用開發者的眼里一切編程都是Socket，話雖然有點夸張，但卻也幾乎如此了，現在的網絡編程幾乎都是用Socket來編程。你想過這些情景么？我們每天打開瀏覽器瀏覽網頁時，瀏覽器進程怎么和Web服務器進行通信的呢？當你用QQ聊天時，QQ進程怎么和服務器或者是你的好友所在的QQ進程進行通信的呢？當你打開PPstream觀看視頻時，PPstream進程如何與視頻服務器進行通信的呢？ 如此種種，都是靠Socket來進行通信的，以一斑窺全豹，可見Socket編程在現代編程中占據了多么重要的地位，這一節我們將介紹Go語言中如何進行Socket編程。 ## 什么是Socket？ Socket起源于Unix，而Unix基本哲學之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。Socket就是該模式的一個實現，網絡的Socket數據傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。Socket也具有一個類似于打開文件的函數調用：Socket()，該函數返回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數據傳輸等操作都是通過該Socket實現的。 常用的Socket類型有兩種：流式Socket（SOCK_STREAM）和數據報式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一種面向連接的Socket，針對于面向連接的TCP服務應用；數據報式Socket是一種無連接的Socket，對應于無連接的UDP服務應用。 ## Socket如何通信 網絡中的進程之間如何通過Socket通信呢？首要解決的問題是如何唯一標識一個進程，否則通信無從談起！在本地可以通過進程PID來唯一標識一個進程，但是在網絡中這是行不通的。其實TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題，網絡層的“ip地址”可以唯一標識網絡中的主機，而傳輸層的“協議+端口”可以唯一標識主機中的應用程序（進程）。這樣利用三元組（ip地址，協議，端口）就可以標識網絡的進程了，網絡中需要互相通信的進程，就可以利用這個標志在他們之間進行交互。請看下面這個TCP/IP協議結構圖  圖8.1 七層網絡協議圖 使用TCP/IP協議的應用程序通常采用應用編程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網絡進程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應用程序都是采用socket，而現在又是網絡時代，網絡中進程通信是無處不在，這就是為什么說“一切皆Socket”。 ## Socket基礎知識 通過上面的介紹我們知道Socket有兩種：TCP Socket和UDP Socket，TCP和UDP是協議，而要確定一個進程的需要三元組，需要IP地址和端口。 ### IPv4地址 目前的全球因特網所采用的協議族是TCP/IP協議。IP是TCP/IP協議中網絡層的協議，是TCP/IP協議族的核心協議。目前主要采用的IP協議的版本號是4(簡稱為IPv4)，發展至今已經使用了30多年。 IPv4的地址位數為32位，也就是最多有2的32次方的網絡設備可以聯到Internet上。近十年來由于互聯網的蓬勃發展，IP位址的需求量愈來愈大，使得IP位址的發放愈趨緊張，前一段時間，據報道IPV4的地址已經發放完畢，我們公司目前很多服務器的IP都是一個寶貴的資源。 地址格式類似這樣：127.0.0.1 172.122.121.111 ### IPv6地址 IPv6是下一版本的互聯網協議，也可以說是下一代互聯網的協議，它是為了解決IPv4在實施過程中遇到的各種問題而被提出的，IPv6采用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6實際可分配的地址，整個地球的每平方米面積上仍可分配1000多個地址。在IPv6的設計過程中除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外，還考慮了在IPv4中解決不好的其它問題，主要有端到端IP連接、服務質量（QoS）、安全性、多播、移動性、即插即用等。 地址格式類似這樣：2002:c0e8:82e7:0:0:0:c0e8:82e7 ### Go支持的IP類型 在Go的`net`包中定義了很多類型、函數和方法用來網絡編程，其中IP的定義如下： type IP []byte 在`net`包中有很多函數來操作IP，但是其中比較有用的也就幾個，其中`ParseIP(s string) IP`函數會把一個IPv4或者IPv6的地址轉化成IP類型，請看下面的例子: 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) } 執行之后你就會發現只要你輸入一個IP地址就會給出相應的IP格式 ## TCP Socket 當我們知道如何通過網絡端口訪問一個服務時，那么我們能夠做什么呢？作為客戶端來說，我們可以通過向遠端某臺機器的的某個網絡端口發送一個請求，然后得到在機器的此端口上監聽的服務反饋的信息。作為服務端，我們需要把服務綁定到某個指定端口，并且在此端口上監聽，當有客戶端來訪問時能夠讀取信息并且寫入反饋信息。 在Go語言的`net`包中有一個類型`TCPConn`，這個類型可以用來作為客戶端和服務器端交互的通道，他有兩個主要的函數： func (c *TCPConn) Write(b []byte) (n int, err os.Error) func (c *TCPConn) Read(b []byte) (n int, err os.Error) `TCPConn`可以用在客戶端和服務器端來讀寫數據。 還有我們需要知道一個`TCPAddr`類型，他表示一個TCP的地址信息，他的定義如下： type TCPAddr struct { IP IP Port int } 在Go語言中通過`ResolveTCPAddr`獲取一個`TCPAddr` func ResolveTCPAddr(net, addr string) (*TCPAddr, os.Error) - net參數是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一個，分別表示TCP(IPv4-only),TCP(IPv6-only)或者TCP(IPv4,IPv6的任意一個). - addr表示域名或者IP地址，例如"www.google.com:80" 或者"127.0.0.1:22". ### TCP client Go語言中通過net包中的`DialTCP`函數來建立一個TCP連接，并返回一個`TCPConn`類型的對象，當連接建立時服務器端也創建一個同類型的對象，此時客戶端和服務器段通過各自擁有的`TCPConn`對象來進行數據交換。一般而言，客戶端通過`TCPConn`對象將請求信息發送到服務器端，讀取服務器端響應的信息。服務器端讀取并解析來自客戶端的請求，并返回應答信息，這個連接只有當任一端關閉了連接之后才失效，不然這連接可以一直在使用。建立連接的函數定義如下： func DialTCP(net string, laddr, raddr *TCPAddr) (c *TCPConn, err os.Error) - net參數是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一個，分別表示TCP(IPv4-only)、TCP(IPv6-only)或者TCP(IPv4,IPv6的任意一個) - laddr表示本機地址，一般設置為nil - raddr表示遠程的服務地址 接下來我們寫一個簡單的例子，模擬一個基于HTTP協議的客戶端請求去連接一個Web服務端。我們要寫一個簡單的http請求頭，格式類似如下： "HEAD / HTTP/1.0\r\n\r\n" 從服務端接收到的響應信息格式可能如下： 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 我們的客戶端代碼如下所示： 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) } } 通過上面的代碼我們可以看出：首先程序將用戶的輸入作為參數`service`傳入`net.ResolveTCPAddr`獲取一個tcpAddr,然后把tcpAddr傳入DialTCP后創建了一個TCP連接`conn`，通過`conn`來發送請求信息，最后通過`ioutil.ReadAll`從`conn`中讀取全部的文本，也就是服務端響應反饋的信息。 ### TCP server 上面我們編寫了一個TCP的客戶端程序，也可以通過net包來創建一個服務器端程序，在服務器端我們需要綁定服務到指定的非激活端口，并監聽此端口，當有客戶端請求到達的時候可以接收到來自客戶端連接的請求。net包中有相應功能的函數，函數定義如下： func ListenTCP(net string, laddr *TCPAddr) (l *TCPListener, err os.Error) func (l *TCPListener) Accept() (c Conn, err os.Error) 參數說明同DialTCP的參數一樣。下面我們實現一個簡單的時間同步服務，監聽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) } } 上面的服務跑起來之后，它將會一直在那里等待，直到有新的客戶端請求到達。當有新的客戶端請求到達并同意接受`Accept`該請求的時候他會反饋當前的時間信息。值得注意的是，在代碼中`for`循環里，當有錯誤發生時，直接continue而不是退出，是因為在服務器端跑代碼的時候，當有錯誤發生的情況下最好是由服務端記錄錯誤，然后當前連接的客戶端直接報錯而退出，從而不會影響到當前服務端運行的整個服務。 上面的代碼有個缺點，執行的時候是單任務的，不能同時接收多個請求，那么該如何改造以使它支持多并發呢？Go里面有一個goroutine機制，請看下面改造后的代碼 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) } } 通過把業務處理分離到函數`handleClient`，我們就可以進一步地實現多并發執行了。看上去是不是很帥，增加`go`關鍵詞就實現了服務端的多并發，從這個小例子也可以看出goroutine的強大之處。 有的朋友可能要問：這個服務端沒有處理客戶端實際請求的內容。如果我們需要通過從客戶端發送不同的請求來獲取不同的時間格式，而且需要一個長連接，該怎么做呢？請看： package main import ( "fmt" "net" "os" "time" "strconv" "strings" ) 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 strings.TrimSpace(string(request[:read_len])) == "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) } } 在上面這個例子中，我們使用`conn.Read()`不斷讀取客戶端發來的請求。由于我們需要保持與客戶端的長連接，所以不能在讀取完一次請求后就關閉連接。由于`conn.SetReadDeadline()`設置了超時，當一定時間內客戶端無請求發送，`conn`便會自動關閉，下面的for循環即會因為連接已關閉而跳出。需要注意的是，`request`在創建時需要指定一個最大長度以防止flood attack；每次讀取到請求處理完畢后，需要清理request，因為`conn.Read()`會將新讀取到的內容append到原內容之后。 ### 控制TCP連接 TCP有很多連接控制函數，我們平常用到比較多的有如下幾個函數： func DialTimeout(net, addr string, timeout time.Duration) (Conn, error) 設置建立連接的超時時間，客戶端和服務器端都適用，當超過設置時間時，連接自動關閉。 func (c *TCPConn) SetReadDeadline(t time.Time) error func (c *TCPConn) SetWriteDeadline(t time.Time) error 用來設置寫入/讀取一個連接的超時時間。當超過設置時間時，連接自動關閉。 func (c *TCPConn) SetKeepAlive(keepalive bool) os.Error 設置客戶端是否和服務器端保持長連接，可以降低建立TCP連接時的握手開銷，對于一些需要頻繁交換數據的應用場景比較適用。 更多的內容請查看`net`包的文檔。 ## UDP Socket Go語言包中處理UDP Socket和TCP Socket不同的地方就是在服務器端處理多個客戶端請求數據包的方式不同,UDP缺少了對客戶端連接請求的Accept函數。其他基本幾乎一模一樣，只有TCP換成了UDP而已。UDP的幾個主要函數如下所示： 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) 一個UDP的客戶端代碼如下所示,我們可以看到不同的就是TCP換成了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) } } 我們來看一下UDP服務器端如何來處理： 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) } } ## 總結 通過對TCP和UDP Socket編程的描述和實現，可見Go已經完備地支持了Socket編程，而且使用起來相當的方便，Go提供了很多函數，通過這些函數可以很容易就編寫出高性能的Socket應用。 ## links * [目錄](<preface.md>) * 上一節: [Web服務](<08.0.md>) * 下一節: [WebSocket](<08.2.md>)