golang将多路复异步io转成阻塞io的方法详解

脚本专栏 2024/12/22 佚名

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前言

本文主要给大家介绍了关于golang 如何将多路复异步io转变成阻塞io的相关内容，分享出来供大家参考学习，下面话不多说了，来一起看看详细的介绍：

package main

import (
 "net"
)

func handleConnection(c net.Conn) {
 //读写数据
 buffer := make([]byte, 1024)
 c.Read(buffer)
 c.Write([]byte("Hello from server"))
}

func main() {
 l, err := net.Listen("tcp", "host:port")
 if err != nil {
 return
 }
 defer l.Close()
 for {
 c, err := l.Accept()
 if err!= nil {
 return
 }
 go handleConnection(c)
 }
}

对于我们都会写上面的代码，很简单，的确golang的网络部分对于我们隐藏了太多东西，我们不用像c++一样去调用底层的socket函数，也不用去使用epoll等复杂的io多路复用相关的逻辑，但是上面的代码真的就像我们看起来的那样在调用accept和read时阻塞吗？

// Multiple goroutines may invoke methods on a Conn simultaneously.
//官方注释：多个goroutines可能同时调用方法在一个连接上，我的理解就是所谓的惊群效应吧
//换句话说就是你多个goroutines监听同一个连接同一个事件，所有的goroutines都会触发，
//这只是我的猜测，有待验证。
type Conn interface {
 Read(b []byte) (n int, err error)
 Write(b []byte) (n int, err error)
 Close() error
 LocalAddr() Addr
 RemoteAddr() Addr
 SetDeadline(t time.Time) error
 SetReadDeadline(t time.Time) error
 SetWriteDeadline(t time.Time) error
}

type conn struct {
 fd *netFD
}

这里面又一个Conn接口，下面conn实现了这个接口，里面只有一个成员netFD.

// 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
}

func (fd *netFD) accept() (netfd *netFD, err error) {
 //................
 for {
 s, rsa, err = accept(fd.sysfd)
 if err != nil {
 nerr, ok := err.(*os.SyscallError)
 if !ok {
 return nil, err
 }
 switch nerr.Err {
 /* 如果错误是EAGAIN说明Socket的缓冲区为空，未读取到任何数据
    则调用fd.pd.WaitRead，*/
 case syscall.EAGAIN:
 if err = fd.pd.waitRead(); err == nil {
  continue
 }
 case syscall.ECONNABORTED:
 continue
 }
 return nil, err
 }
 break
 }
 //.........
 //代码过长不再列出，感兴趣看go的源码，runtime 下的fd_unix.go
 return netfd, nil
}

上面代码段是accept部分，这里我们注意当accept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在此等待，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，这样以来就让调用netFD的Read的地方变成了同步“阻塞”。有兴趣的可以看netFD的读和写方法，都有同样的实现。

到这里所有的疑问都集中到了pollDesc上，它到底是什么呢？

const (
 pdReady uintptr = 1
 pdWait uintptr = 2
)

// Network poller descriptor.
type pollDesc struct {
 link *pollDesc // in pollcache, protected by pollcache.lock
 lock mutex // protects the following fields
 fd  uintptr
 closing bool
 seq  uintptr // protects from stale timers and ready notifications
 rg  uintptr // pdReady, pdWait, G waiting for read or nil
 rt  timer // read deadline timer (set if rt.f != nil)
 rd  int64 // read deadline
 wg  uintptr // pdReady, pdWait, G waiting for write or nil
 wt  timer // write deadline timer
 wd  int64 // write deadline
 user uint32 // user settable cookie
}

type pollCache struct {
 lock mutex
 first *pollDesc
}

pollDesc网络轮询器是Golang中针对每个socket文件描述符建立的轮询机制。此处的轮询并不是一般意义上的轮询，而是Golang的runtime在调度goroutine或者GC完成之后或者指定时间之内，调用epoll_wait获取所有产生IO事件的socket文件描述符。当然在runtime轮询之前，需要将socket文件描述符和当前goroutine的相关信息加入epoll维护的数据结构中，并挂起当前goroutine，当IO就绪后，通过epoll返回的文件描述符和其中附带的goroutine的信息，重新恢复当前goroutine的执行。这里我们可以看到pollDesc中有两个变量wg和rg，其实我们可以把它们看作信号量，这两个变量有几种不同的状态：

pdReady：io就绪
pdWait：当前的goroutine正在准备挂起在信号量上，但是还没有挂起。
G pointer：当我们把它改为指向当前goroutine的指针时，当前goroutine挂起

继续接着上面的WaitRead调用说起，go在这里到底做了什么让当前的goroutine挂起了呢。

func net_runtime_pollWait(pd *pollDesc, mode int) int {
 err := netpollcheckerr(pd, int32(mode))
 if err != 0 {
 return err
 }
 // As for now only Solaris uses level-triggered IO.
 if GOOS == "solaris" {
 netpollarm(pd, mode)
 }
 for !netpollblock(pd, int32(mode), false) {
 err = netpollcheckerr(pd, int32(mode))
 if err != 0 {
 return err
 }
 // Can happen if timeout has fired and unblocked us,
 // but before we had a chance to run, timeout has been reset.
 // Pretend it has not happened and retry.
 }
 return 0
}


// returns true if IO is ready, or false if timedout or closed
// waitio - wait only for completed IO, ignore errors
func netpollblock(pd *pollDesc, mode int32, waitio bool) bool {
 //根据读写模式获取相应的pollDesc中的读写信号量
 gpp := &pd.rg
 if mode == 'w' {
 gpp = &pd.wg
 }

 for {
 old := *gpp
 //已经准备好直接返回true
 if old == pdReady {
 *gpp = 0
 return true
 }
 if old != 0 {
 throw("netpollblock: double wait")
 }
  //设置gpp pdWait
 if atomic.Casuintptr(gpp, 0, pdWait) {
 break
 }
 }

 if waitio || netpollcheckerr(pd, mode) == 0 {
 gopark(netpollblockcommit, unsafe.Pointer(gpp), "IO wait", traceEvGoBlockNet, 5)
 }

 old := atomic.Xchguintptr(gpp, 0)
 if old > pdWait {
 throw("netpollblock: corrupted state")
 }
 return old == pdReady
}

当调用WaitRead时经过一段汇编最重调用了上面的net_runtime_pollWait函数，该函数循环调用了netpollblock函数，返回true表示io已准备好，返回false表示错误或者超时，在netpollblock中调用了gopark函数，gopark函数调用了mcall的函数，该函数用汇编来实现，具体功能就是把当前的goroutine挂起，然后去执行其他可执行的goroutine。到这里整个goroutine挂起的过程已经结束，那当goroutine可读的时候是如何通知该goroutine呢，这就是epoll的功劳了。

func netpoll(block bool) *g {
 if epfd == -1 {
 return nil
 }
 waitms := int32(-1)
 if !block {
 waitms = 0
 }
 var events [128]epollevent
retry:
 //每次最多监听128个事件
 n := epollwait(epfd, &events[0], int32(len(events)), waitms)
 if n < 0 {
 if n != -_EINTR {
 println("runtime: epollwait on fd", epfd, "failed with", -n)
 throw("epollwait failed")
 }
 goto retry
 }
 var gp guintptr
 for i := int32(0); i < n; i++ {
 ev := &events[i]
 if ev.events == 0 {
 continue
 }
 var mode int32
 //读事件
 if ev.events&(_EPOLLIN|_EPOLLRDHUP|_EPOLLHUP|_EPOLLERR) != 0 {
 mode += 'r'
 }
 //写事件
 if ev.events&(_EPOLLOUT|_EPOLLHUP|_EPOLLERR) != 0 {
 mode += 'w'
 }
 if mode != 0 {
  //把epoll中的data转换成pollDesc
 pd := *(**pollDesc)(unsafe.Pointer(&ev.data))
 netpollready(&gp, pd, mode)
 }
 }
 if block && gp == 0 {
 goto retry
 }
 return gp.ptr()
}

这里就是熟悉的代码了，epoll的使用，看起来亲民多了。pd:=*(**pollDesc)(unsafe.Pointer(&ev.data))这是最关键的一句，我们在这里拿到当前可读时间的pollDesc，上面我们已经说了，当pollDesc的读写信号量保存为G pointer时当前goroutine就会挂起。而在这里我们调用了netpollready函数，函数中把相应的读写信号量G指针擦出，置为pdReady，G-pointer状态被抹去，当前goroutine的G指针就放到可运行队列中，这样goroutine就被唤醒了。

可以看到虽然我们在写tcp server看似一个阻塞的网络模型，在其底层实际上是基于异步多路复用的机制来实现的，只是把它封装成了跟阻塞io相似的开发模式，这样是使得我们不用去关注异步io，多路复用等这些复杂的概念以及混乱的回调函数。

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对的支持。

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