Socket编程

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2023-12-01

在很多底层网络应用开发者的眼里一切编程都是Socket，话虽然有点夸张，但却也几乎如此了，现在的网络编程几乎都是用Socket来编程。你想过这些情景么？我们每天打开浏览器浏览网页时，浏览器进程怎么和Web服务器进行通信的呢？当你用QQ聊天时，QQ进程怎么和服务器或者是你的好友所在的QQ进程进行通信的呢？当你打开PPstream观看视频时，PPstream进程如何与视频服务器进行通信的呢？如此种种，都是靠Socket来进行通信的，以一斑窥全豹，可见Socket编程在现代编程中占据了多么重要的地位，这一节我们将介绍Go语言中如何进行Socket编程。

什么是Socket？

Socket起源于Unix，而Unix基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用：Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

常用的Socket类型有两种：流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

Socket如何通信

网络中的进程之间如何通过Socket通信呢？首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中需要互相通信的进程，就可以利用这个标志在他们之间进行交互。请看下面这个TCP/IP协议结构图

图8.1 七层网络协议图

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是为什么说“一切皆Socket”。

Socket基础知识

通过上面的介绍我们知道Socket有两种：TCP Socket和UDP Socket，TCP和UDP是协议，而要确定一个进程的需要三元组，需要IP地址和端口。

IPv4地址

目前的全球因特网所采用的协议族是TCP/IP协议。IP是TCP/IP协议中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。目前主要采用的IP协议的版本号是4(简称为IPv4)，发展至今已经使用了30多年。

IPv4的地址位数为32位，也就是最多有2的32次方的网络设备可以联到Internet上。近十年来由于互联网的蓬勃发展，IP位址的需求量愈来愈大，使得IP位址的发放愈趋紧张，前一段时间，据报道IPV4的地址已经发放完毕，我们公司目前很多服务器的IP都是一个宝贵的资源。

地址格式类似这样：127.0.0.1 172.122.121.111

IPv6地址

IPv6是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议，它是为了解决IPv4在实施过程中遇到的各种问题而被提出的，IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题，主要有端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。

地址格式类似这样：2002:c0e8:82e7:0:0:0:c0e8:82e7

Go支持的IP类型

在Go的net包中定义了很多类型、函数和方法用来网络编程，其中IP的定义如下：

type IP []byte

在net包中有很多函数来操作IP，但是其中比较有用的也就几个，其中ParseIP(s string) IP函数会把一个IPv4或者IPv6的地址转化成IP类型，请看下面的例子:

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)
}

执行之后你就会发现只要你输入一个IP地址就会给出相应的IP格式

TCP Socket

当我们知道如何通过网络端口访问一个服务时，那么我们能够做什么呢？作为客户端来说，我们可以通过向远端某台机器的的某个网络端口发送一个请求，然后得到在机器的此端口上监听的服务反馈的信息。作为服务端，我们需要把服务绑定到某个指定端口，并且在此端口上监听，当有客户端来访问时能够读取信息并且写入反馈信息。

在Go语言的net包中有一个类型TCPConn，这个类型可以用来作为客户端和服务器端交互的通道，他有两个主要的函数：

func (c *TCPConn) Write(b []byte) (n int, err os.Error)
func (c *TCPConn) Read(b []byte) (n int, err os.Error)

TCPConn可以用在客户端和服务器端来读写数据。

还有我们需要知道一个TCPAddr类型，他表示一个TCP的地址信息，他的定义如下：

type TCPAddr struct {
    IP IP
    Port int
}

在Go语言中通过ResolveTCPAddr获取一个TCPAddr

func ResolveTCPAddr(net, addr string) (*TCPAddr, os.Error)

net参数是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一个，分别表示TCP(IPv4-only),TCP(IPv6-only)或者TCP(IPv4,IPv6的任意一个).
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语言中通过net包中的DialTCP函数来建立一个TCP连接，并返回一个TCPConn类型的对象，当连接建立时服务器端也创建一个同类型的对象，此时客户端和服务器段通过各自拥有的TCPConn对象来进行数据交换。一般而言，客户端通过TCPConn对象将请求信息发送到服务器端，读取服务器端响应的信息。服务器端读取并解析来自客户端的请求，并返回应答信息，这个连接只有当任一端关闭了连接之后才失效，不然这连接可以一直在使用。建立连接的函数定义如下：

func DialTCP(net string, laddr, raddr *TCPAddr) (c *TCPConn, err os.Error)

net参数是"tcp4"、"tcp6"、"tcp"中的任意一个，分别表示TCP(IPv4-only)、TCP(IPv6-only)或者TCP(IPv4,IPv6的任意一个)
laddr表示本机地址，一般设置为nil
raddr表示远程的服务地址

接下来我们写一个简单的例子，模拟一个基于HTTP协议的客户端请求去连接一个Web服务端。我们要写一个简单的http请求头，格式类似如下：

"HEAD / HTTP/1.0\r\n\r\n"

从服务端接收到的响应信息格式可能如下：

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

我们的客户端代码如下所示：

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)
    }
}

通过上面的代码我们可以看出：首先程序将用户的输入作为参数service传入net.ResolveTCPAddr获取一个tcpAddr,然后把tcpAddr传入DialTCP后创建了一个TCP连接conn，通过conn来发送请求信息，最后通过ioutil.ReadAll从conn中读取全部的文本，也就是服务端响应反馈的信息。

TCP server

上面我们编写了一个TCP的客户端程序，也可以通过net包来创建一个服务器端程序，在服务器端我们需要绑定服务到指定的非激活端口，并监听此端口，当有客户端请求到达的时候可以接收到来自客户端连接的请求。net包中有相应功能的函数，函数定义如下：

func ListenTCP(net string, laddr *TCPAddr) (l *TCPListener, err os.Error)
func (l *TCPListener) Accept() (c Conn, err os.Error)

参数说明同DialTCP的参数一样。下面我们实现一个简单的时间同步服务，监听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)
    }
}

上面的服务跑起来之后，它将会一直在那里等待，直到有新的客户端请求到达。当有新的客户端请求到达并同意接受Accept该请求的时候他会反馈当前的时间信息。值得注意的是，在代码中for循环里，当有错误发生时，直接continue而不是退出，是因为在服务器端跑代码的时候，当有错误发生的情况下最好是由服务端记录错误，然后当前连接的客户端直接报错而退出，从而不会影响到当前服务端运行的整个服务。

上面的代码有个缺点，执行的时候是单任务的，不能同时接收多个请求，那么该如何改造以使它支持多并发呢？Go里面有一个goroutine机制，请看下面改造后的代码

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)
    }
}

通过把业务处理分离到函数handleClient，我们就可以进一步地实现多并发执行了。看上去是不是很帅，增加go关键词就实现了服务端的多并发，从这个小例子也可以看出goroutine的强大之处。

有的朋友可能要问：这个服务端没有处理客户端实际请求的内容。如果我们需要通过从客户端发送不同的请求来获取不同的时间格式，而且需要一个长连接，该怎么做呢？请看：

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)
    }
}

在上面这个例子中，我们使用conn.Read()不断读取客户端发来的请求。由于我们需要保持与客户端的长连接，所以不能在读取完一次请求后就关闭连接。由于conn.SetReadDeadline()设置了超时，当一定时间内客户端无请求发送，conn便会自动关闭，下面的for循环即会因为连接已关闭而跳出。需要注意的是，request在创建时需要指定一个最大长度以防止flood attack；每次读取到请求处理完毕后，需要清理request，因为conn.Read()会将新读取到的内容append到原内容之后。

控制TCP连接

TCP有很多连接控制函数，我们平常用到比较多的有如下几个函数：

func DialTimeout(net, addr string, timeout time.Duration) (Conn, error)

设置建立连接的超时时间，客户端和服务器端都适用，当超过设置时间时，连接自动关闭。

func (c *TCPConn) SetReadDeadline(t time.Time) error
func (c *TCPConn) SetWriteDeadline(t time.Time) error

用来设置写入/读取一个连接的超时时间。当超过设置时间时，连接自动关闭。

func (c *TCPConn) SetKeepAlive(keepalive bool) os.Error

设置客户端是否和服务器端保持长连接，可以降低建立TCP连接时的握手开销，对于一些需要频繁交换数据的应用场景比较适用。

更多的内容请查看net包的文档。

UDP Socket

Go语言包中处理UDP Socket和TCP Socket不同的地方就是在服务器端处理多个客户端请求数据包的方式不同,UDP缺少了对客户端连接请求的Accept函数。其他基本几乎一模一样，只有TCP换成了UDP而已。UDP的几个主要函数如下所示：

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)

一个UDP的客户端代码如下所示,我们可以看到不同的就是TCP换成了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)
    }
}

我们来看一下UDP服务器端如何来处理：

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)
    }
}

总结

通过对TCP和UDP Socket编程的描述和实现，可见Go已经完备地支持了Socket编程，而且使用起来相当的方便，Go提供了很多函数，通过这些函数可以很容易就编写出高性能的Socket应用。