golang socket与Linux socket比较分析

在posix标准推出后，socket在各大主流OS平台上都得到了很好的支持。而Golang是自带runtime的跨平台编程语言，Go中提供给开发者的socket API是建立在操作系统原生socket接口之上的。但golang 中的socket接口在行为特点与操作系统原生接口有一些不同。本文将对结合一个简单的hello/hi的网络聊天程序加以分析。

一、socket简介

首先进程之间可以进行通信的前提是进程可以被唯一标识，在本地通信时可以使用PID唯一标识，而在网络中这种方法不可行，我们可以通过IP地址+协议+端口号来唯一标识一个进程，然后利用socket进行通信。

socket是位于应用层和传输层中的抽象层，它是不属于七层架构中的:

而socket通信流程如下:

1.服务端创建socket

2.服务端绑定socket和端口号

3.服务端监听该端口号

4.服务端启动accept()用来接收来自客户端的连接请求，此时如果有连接则继续执行，否则将阻塞在这里。

5.客户端创建socket

6.客户端通过IP地址和端口号连接服务端，即tcp中的三次握手

7.如果连接成功，客户端可以向服务端发送数据

8.服务端读取客户端发来的数据

9.任何一端均可主动断开连接

 二、socket编程

有了抽象的socket后，当使用TCP或UDP协议进行web编程时，可以通过以下的方式进行

服务端伪代码:

listenfd = socket(……)
bind(listenfd, ServerIp:Port, ……)
listen(listenfd, ……)
while(true) {
  conn = accept(listenfd, ……)
  receive(conn, ……)
  send(conn, ……)
}

客户端伪代码:

clientfd = socket(……)
connect(clientfd, serverIp:Port, ……)
send(clientfd, data)
receive(clientfd, ……)
close(clientfd)

上述伪代码中，listenfd就是为了实现服务端监听创建的socket描述符，而bind方法就是服务端进程占用端口，避免其它端口被其它进程使用，listen方法开始对端口进行监听。下面的while循环用来处理客户端源源不断的请求，accept方法返回一个conn，用来区分各个客户端的连接的，之后的接受和发送动作都是基于这个conn来实现的。其实accept就是和客户端的connect一起完成了TCP的三次握手。

三、golang中的socket

golang中提供了一些网络编程的API,包括Dial,Listen,Accept,Read,Write,Close等.

3.1 Listen()

首先使用服务端net.Listen()方法创建套接字，绑定端口和监听端口。

 func Listen(network, address string) (Listener, error) {
     var lc ListenConfig
     return lc.Listen(context.Background(), network, address)
 }

以上是golang提供的Listen函数源码，其中network表示网络协议，如tcp,tcp4,tcp6,udp,udp4,udp6等。address为绑定的地址，返回的Listener实际上是一个套接字描述符，error中保存错误信息。

而在Linuxsocket中使用socket,bind和listen函数来完成同样功能

// socket(协议域，套接字类型，协议)
int socket(int domain, int type, int protocol);

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

int listen(int sockfd, int backlog);

3.2 Dial()

当客户端想要发起某个连接时，就会使用net.Dial()方法来发起连接

func Dial(network, address string) (Conn, error) {
    var d Dialer
    return d.Dial(network, address)
}

其中network表示网络协议，address为要建立连接的地址，返回的Conn实际是标识每一个客户端的，在golang中定义了一个Conn的接口:

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

}

其中netFD是golang网络库里最核心的数据结构，贯穿了golang网络库所有的API,对底层的socket进行封装，屏蔽了不同操作系统的网络实现，这样通过返回的Conn，我们就可以使用golang提供的socket底层函数了。

在Linuxsocket中使用connect函数来创建连接

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

3.3 Accept()

当服务端调用net.Listen()后会开始监听指定地址，而客户端调用net.Dial()后发起连接请求，然后服务端调用net.Accept()接收请求，这里端与端的连接就建立好了，实际上到这一步也就完成了TCP中的三次握手。

Accept() (Conn, error)

golang的socket实际上是非阻塞的,但golang本身对socket做了一定处理，使其看起来是阻塞的。

在Linuxsocket中使用accept函数来实现同样功能

//sockfd是服务器套接字描述符，sockaddr返回客户端协议地址，socklen_t是协议地址长度。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

3.4 Write()

端与端的连接已经建立了，接下来开始进行读写操作，conn.Write()向socket写数据

   Write(b []byte) (n int, err error)

func (c *conn) Write(b []byte) (int, error) {
    if !c.ok() {
        return , syscall.EINVAL
    }
    n, err := c.fd.Write(b)
    if err != nil {
        err = &OpError{Op: "write", Net: c.fd.net, Source: c.fd.laddr, Addr: c.fd.raddr, Err: err}
    }
    return n, err
}

其中写入的数据是一个二进制字节流，n返回的数据的长度，err保存错误信息

Linuxsocket中对应的则是send函数

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

3.5 Read()

客户端发送完数据以后，服务端可以接收数据，golang中调用conn.Read()读取数据，源码如下:

Read(b []byte) (n int, err error)

func (c *conn) Read(b []byte) (int, error) {

    if !c.ok() {

        return 0, syscall.EINVAL

    }

    n, err := c.fd.Read(b)

    if err != nil && err != io.EOF {

        err = &OpError{Op: "read", Net: c.fd.net, Source: c.fd.laddr, Addr: c.fd.raddr, Err: err}

    }

    return n, err

}

其参数与Write()中的含义一样，在Linuxsocket中使用recv函数完成此功能

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

3.6 Close()

当服务端或者客户端想要关闭套接字时，调用Close()方法关闭连接。

Close() error
func (c *conn) Close() error {
    if !c.ok() {
        return syscall.EINVAL
    }
    err := c.fd.Close()
    if err != nil {
        err = &OpError{Op: "close", Net: c.fd.net, Source: c.fd.laddr, Addr: c.fd.raddr, Err: err}
    }
    return err
}

在Linuxsocket中使用close函数

int close(int socketfd)

四、golang实现Hello/hi网络聊天程序

4.1 server.go

package main
import (
    "fmt"
    "net"
    "strings"
)
//UserMap保存的是当前聊天室所有用户id的集合
var UserMap map[string]net.Conn = make(map[string]net.Conn)
func main() {
    //监听本地所有ip的8000端口
    listen_socket, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:8000")
    if err != nil {
        fmt.Println("服务启动失败")
    }
    //关闭监听的端口
    defer listen_socket.Close()
    fmt.Println("等待用户加入聊天室")
    for {
        //用于conn接收链接
        conn, err := listen_socket.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println("连接失败")
        }
        //打印加入聊天室的公网IP地址
        fmt.Println(conn.RemoteAddr(), "连接成功")
        //定义一个goroutine，这里主要是为了并发运行
        go DataProcessing(conn)
    }
}
func DataProcessing(conn net.Conn) {
    for {
        //定义一个长度为255的切片
        data := make([]byte, )
        //读取客户端传来的数据，msg_length保存长度，err保存错误信息
        msg_length, err := conn.Read(data)
        if msg_length ==  || err != nil {
            continue
        }
        //解析协议,通过分隔符"|"获取需要的数据,msg_str[0]存放操作类别
        //msg_str[1]存放用户名，msg_str[2]如果有就存放发送的消息
        msg_str := strings.Split(string(data[:msg_length]), "|")
        switch msg_str[] {
        case "nick":
            fmt.Println(conn.RemoteAddr(), "的用户名是", msg_str[])
            for user, message := range UserMap {
                //向除自己之外的用户发送加入聊天室的消息
                if user != msg_str[] {
                    message.Write([]byte("用户" + msg_str[] + "加入聊天室"))
                }
            }
            //将该用户加入用户id的集合
            UserMap[msg_str[]] = conn
        case "send":
            for user, message := range UserMap {
                if user != msg_str[] {
                    fmt.Println("Send "+msg_str[]+" to ", user)
                    //向除自己之外的用户发送聊天消息
                    message.Write([]byte("       用户" + msg_str[] + ": " + msg_str[]))
                }
            }
        case "quit":
            for user, message := range UserMap {
                if user != msg_str[] {
                    //向除自己之外的用户发送退出聊天室的消失
                    message.Write([]byte("用户" + msg_str[] + "退出聊天室"))
                }
            }
            fmt.Println("用户 " + msg_str[] + "退出聊天室")
            //将该用户名从用户id的集合中删除
            delete(UserMap, msg_str[])
        }
    }
}

5.2 client.go

package main
import (
    "bufio"
    "fmt"
    "net"
    "os"
)
var nick string = ""
func main() {
    //拨号操作
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8000")
    if err != nil {
        fmt.Println("连接失败")
    }
    defer conn.Close()
    fmt.Println("连接服务成功 \n")
    //创建用户名
    fmt.Printf("在进入聊天室之前给自己取个名字吧:")
    fmt.Scanf("%s", &nick)
    fmt.Println("用户" + nick + "欢迎进入聊天室")
    //向服务器发送数据
    conn.Write([]byte("nick|" + nick))
    //定义一个goroutine，这里主要是为了并发运行
    go SendMessage(conn)
    var msg string
    for {
        msg = ""
        //由于golangz的fmt包输入字符串不能读取空格，所以此处重写了一个Scanf函数
        Scanf(&msg)
        if msg == "quit" {
            //这里的quit，send，以及上面的nick是为了识别客户端做的是设置用户名，发消息还是退出
            conn.Write([]byte("quit|" + nick))
            break
        }
        if msg != "" {
            conn.Write([]byte("send|" + nick + "|" + msg))
        }
    }
}
func SendMessage(conn net.Conn) {
    for {
        //定义一个长度为255的切片
        data := make([]byte, )
        //读取服务器传来的数据，msg_length保存长度，err保存错误信息
        msg_length, err := conn.Read(data)
        if msg_length ==  || err != nil {
            break
        }
        fmt.Println(string(data[:msg_length]))
    }
}
//重写的Scanf函数
func Scanf(a *string) {
    reader := bufio.NewReader(os.Stdin)
    data, _, _ := reader.ReadLine()
    *a = string(data)
}

golang中使用goroutine实现并发

5.3 运行截图

多人聊天截图(左上角为服务端)

用户退出聊天室(左上角为服务端)

参考资料:

https://tonybai.com/2015/11/17/tcp-programming-in-golang/

https://www.jianshu.com/p/325ac02fc31c

https://blog.csdn.net/dyd961121/article/details/81252920