你真的很棒,已经跟着我一起从最开始初识Go语言,一步一步地走到了这里。
在这之前的几十篇文章中,我向你一点一点地介绍了很多Go语言的核心知识,以及一些最最基础的标准库代码包。我想,你已经完全有能力独立去做一些事情了。
为了激发你更多的兴趣,我还打算用几篇文章来说说Go语言的网络编程。不过,关于网络编程这个事情,恐怕早已庞大到用一两本专著都无法对它进行完整论述的地步了。
所以,我在这里说的东西只能算是个引子。只要这样能让你产生想去尝试的冲动,我就很开心了。
前导内容:socket与IPC
人们常常会使用Go语言去编写网络程序(当然了,这方面也是Go语言最为擅长的事情)。说到网络编程,我们就不得不提及socket。
socket,常被翻译为套接字,它应该算是网络编程世界中最为核心的知识之一了。关于socket,我们可以讨论的东西太多了,因此,我在这里只围绕着Go语言向你介绍一些关于它的基础知识。
所谓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。顾名思义,IPC这个概念(或者说规范)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)、信号灯(semaphore,有的地方也称之为信号量)等。现存的主流操作系统大都对IPC提供了强有力的支持,尤其是socket。
你可能已经知道,Go语言对IPC也提供了一定的支持。
比如,在os
代码包和os/signal
代码包中就有针对系统信号的API。
又比如,os.Pipe
函数可以创建命名管道,而os/exec
代码包则对另一类管道(匿名管道)提供了支持。对于socket,Go语言与之相应的程序实体都在其标准库的net
代码包中。
毫不夸张地说,在众多的IPC方法中,socket是最为通用和灵活的一种。与其他的IPC方法不同,利用socket进行通信的进程,可以不局限在同一台计算机当中。
实际上,通信的双方无论存在于世界上的哪个角落,只要能够通过计算机的网卡端口以及网络进行互联,就可以使用socket。
支持socket的操作系统一般都会对外提供一套API。跑在它们之上的应用程序利用这套API,就可以与互联网上的另一台计算机中的程序、同一台计算机中的其他程序,甚至同一个程序中的其他线程进行通信。
例如,在Linux操作系统中,用于创建socket实例的API,就是由一个名为socket
的系统调用代表的。这个系统调用是Linux内核的一部分。
所谓的系统调用,你可以理解为特殊的C语言函数。它们是连接应用程序和操作系统内核的桥梁,也是应用程序使用操作系统功能的唯一渠道。
在Go语言标准库的syscall
代码包中,有一个与这个socket
系统调用相对应的函数。这两者的函数签名是基本一致的,它们都会接受三个int
类型的参数,并会返回一个可以代表文件描述符的结果。
但不同的是,syscall
包中的Socket
函数本身是平台不相关的。在其底层,Go语言为它支持的每个操作系统都做了适配,这才使得这个函数无论在哪个平台上,总是有效的。
Go语言的net
代码包中的很多程序实体,都会直接或间接地使用到syscall.Socket
函数。
比如,我们在调用net.Dial
函数的时候,会为它的两个参数设定值。其中的第一个参数名为network
,它决定着Go程序在底层会创建什么样的socket实例,并使用什么样的协议与其他程序通信。
下面,我们就通过一个简单的问题来看看怎样正确地调用net.Dial
函数。
今天的问题是:net.Dial
函数的第一个参数network
有哪些可选值?
这道题的典型回答是这样的。
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。这些值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,罗列如下。
"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。
问题解析
为了更好地理解这些可选值的深层含义,我们需要了解一下syscall.Socket
函数接受的那三个参数。
我在前面说了,这个函数接受的三个参数都是int
类型的。这些参数所代表的分别是想要创建的socket实例通信域、类型以及使用的协议。
Socket的通信域主要有这样几个可选项:IPv4域、IPv6域和Unix域。
我想你应该能够猜出IPv4域、IPv6域的含义,它们对应的分别是基于IP协议第四版的网络,和基于IP协议第六版的网络。
现在的计算机网络大都是基于IP协议第四版的,但是由于现有IP地址的逐渐枯竭,网络世界也在逐步地支持IP协议第六版。
Unix域,指的是一种类Unix操作系统中特有的通信域。在装有此类操作系统的同一台计算机中,应用程序可以基于此域建立socket连接。
以上三种通信域分别可以由syscall
代码包中的常量AF_INET
、AF_INET6
和AF_UNIX
表示。
Socket的类型一共有4种,分别是:SOCK_DGRAM
、SOCK_STREAM
、SOCK_SEQPACKET
以及SOCK_RAW
。syscall
代码包中也都有同名的常量与之对应。前两者更加常用一些。
SOCK_DGRAM
中的“DGRAM”代表的是datagram,即数据报文。它是一种有消息边界,但没有逻辑连接的非可靠socket类型,我们熟知的基于UDP协议的网络通信就属于此类。
有消息边界的意思是,与socket相关的操作系统内核中的程序(以下简称内核程序)在发送或接收数据的时候是以消息为单位的。
你可以把消息理解为带有固定边界的一段数据。内核程序可以自动地识别和维护这种边界,并在必要的时候,把数据切割成一个一个的消息,或者把多个消息串接成连续的数据。如此一来,应用程序只需要面向消息进行处理就可以了。
所谓的有逻辑连接是指,通信双方在收发数据之前必须先建立网络连接。待连接建立好之后,双方就可以一对一地进行数据传输了。显然,基于UDP协议的网络通信并不需要这样,它是没有逻辑连接的。
只要应用程序指定好对方的网络地址,内核程序就可以立即把数据报文发送出去。这有优势,也有劣势。
优势是发送速度快,不长期占用网络资源,并且每次发送都可以指定不同的网络地址。
当然了,最后一个优势有时候也是劣势,因为这会使数据报文更长一些。其他的劣势有,无法保证传输的可靠性,不能实现数据的有序性,以及数据只能单向进行传输。
而SOCK_STREAM
这个socket类型,恰恰与SOCK_DGRAM
相反。它没有消息边界,但有逻辑连接,能够保证传输的可靠性和数据的有序性,同时还可以实现数据的双向传输。众所周知的基于TCP协议的网络通信就属于此类。
这样的网络通信传输数据的形式是字节流,而不是数据报文。字节流是以字节为单位的。内核程序无法感知一段字节流中包含了多少个消息,以及这些消息是否完整,这完全需要应用程序自己去把控。
不过,此类网络通信中的一端,总是会忠实地按照另一端发送数据时的字节排列顺序,接收和缓存它们。所以,应用程序需要根据双方的约定去数据中查找消息边界,并按照边界切割数据,仅此而已。
syscall.Socket
函数的第三个参数用于表示socket实例所使用的协议。
通常,只要明确指定了前两个参数的值,我们就无需再去确定第三个参数值了,一般把它置为0
就可以了。这时,内核程序会自行选择最合适的协议。
比如,当前两个参数值分别为syscall.AF_INET
和syscall.SOCK_DGRAM
的时候,内核程序会选择UDP作为协议。
又比如,在前两个参数值分别为syscall.AF_INET6
和syscall.SOCK_STREAM
时,内核程序可能会选择TCP作为协议。
(syscall.Socket函数一瞥)
不过,你也看到了,在使用net
包中的高层次API的时候,我们连那前两个参数值都无需给定,只需要把前面罗列的那些字符串字面量的其中一个,作为network
参数的值就好了。
当然,如果你在使用这些API的时候,能够想到我在上面说的这些基础知识的话,那么一定会对你做出正确的判断和选择有所帮助。
知识扩展
问题1:调用net.DialTimeout
函数时给定的超时时间意味着什么?
简单来说,这里的超时时间,代表着函数为网络连接建立完成而等待的最长时间。这是一个相对的时间。它会由这个函数的参数timeout
的值表示。
开始的时间点几乎是我们调用net.DialTimeout
函数的那一刻。在这之后,时间会主要花费在“解析参数network
和address
的值”,以及“创建socket实例并建立网络连接”这两件事情上。
不论执行到哪一步,只要在绝对的超时时间达到的那一刻,网络连接还没有建立完成,该函数就会返回一个代表了I/O操作超时的错误值。
值得注意的是,在解析address
的值的时候,函数会确定网络服务的IP地址、端口号等必要信息,并在需要时访问DNS服务。
另外,如果解析出的IP地址有多个,那么函数会串行或并发地尝试建立连接。但无论用什么样的方式尝试,函数总会以最先建立成功的那个连接为准。
同时,它还会根据超时前的剩余时间,去设定针对每次连接尝试的超时时间,以便让它们都有适当的时间执行。
再多说一点。在net
包中还有一个名为Dialer
的结构体类型。该类型有一个名叫Timeout
的字段,它与上述的timeout
参数的含义是完全一致的。实际上,net.DialTimeout
函数正是利用了这个类型的值才得以实现功能的。
net.Dialer
类型值得你好好学习一下,尤其是它的每个字段的功用以及它的DialContext
方法。
总结
我们今天提及了使用Go语言进行网络编程这个主题。作为引子,我先向你介绍了关于socket的一些基础知识。socket常被翻译为套接字,它是一种IPC方法。IPC可以被翻译为进程间通信,它主要定义了多个进程之间相互通信的方法。
Socket是IPC方法中最为通用和灵活的一种。与其他的方法不同,利用socket进行通信的进程可以不局限在同一台计算机当中。
只要通信的双方能够通过计算机的网卡端口,以及网络进行互联就可以使用socket,无论它们存在于世界上的哪个角落。
支持socket的操作系统一般都会对外提供一套API。Go语言的syscall
代码包中也有与之对应的程序实体。其中最重要的一个就是syscall.Socket
函数。
不过,syscall
包中的这些程序实体,对于普通的Go程序来说都属于底层的东西了,我们通常很少会用到。一般情况下,我们都会使用net
代码包及其子包中的API去编写网络程序。
net
包中一个很常用的函数,名为Dial
。这个函数主要用于连接网络服务。它会接受两个参数,你需要搞明白这两个参数的值都应该怎么去设定。
尤其是network
参数,它有很多的可选值,其中最常用的有9个。这些可选值的背后都代表着相应的socket属性,包括通信域、类型以及使用的协议。一旦你理解了这些socket属性,就一定会帮助你做出正确的判断和选择。
与此相关的一个函数是net.DialTimeout
。我们在调用它的时候需要设定一个超时时间。这个超时时间的含义你是需要搞清楚的。
通过它,我们可以牵扯出这个函数的一大堆实现细节。另外,还有一个叫做net.Dialer
的结构体类型。这个类型其实是前述两个函数的底层实现,值得你好好地学习一番。
以上,就是我今天讲的主要内容,它们都是关于怎样访问网络服务的。你可以从这里入手,进入Go语言的网络编程世界。
思考题
今天的思考题也与超时时间有关。在你调用了net.Dial
等函数之后,如果成功就会得到一个代表了网络连接的net.Conn
接口类型的值。我的问题是:怎样在net.Conn
类型的值上正确地设定针对读操作和写操作的超时时间?