gnet: 轻量级且高性能的 Golang 网络库

gnet: 轻量级且高性能的 Golang 网络库

Github 源码：

github.com/panjf2000/g...

原文：

Strike Freedom​strikefreedom.top/go-event-loop-networking-library-gnet

简介

gnet 是一个基于事件驱动的高性能和轻量级网络框架。它直接使用 epoll 和 kqueue 系统调用而非标准 Go 网络包：net 来构建网络应用，它的工作原理类似两个开源的网络库：netty 和 libuv，这也使得 gnet 达到了一个远超 Go net 的性能表现。

gnet 设计开发的初衷不是为了取代 Go 的标准网络库：net，而是为了创造出一个类似于 Redis、Haproxy 能高效处理网络包的 Go 语言网络服务器框架。

gnet 的卖点在于它是一个高性能、轻量级、非阻塞的纯 Go 实现的传输层（TCP/UDP/Unix Domain Socket）网络框架，开发者可以使用 gnet 来实现自己的应用层网络协议(HTTP、RPC、Redis、WebSocket 等等)，从而构建出自己的应用层网络应用：比如在 gnet 上实现 HTTP 协议就可以创建出一个 HTTP 服务器 或者 Web 开发框架，实现 Redis 协议就可以创建出自己的 Redis 服务器等等。

gnet 衍生自另一个项目：evio，但拥有更丰富的功能特性，且性能远胜之。

功能

• [x] 高性能 的基于多线程/Go程网络模型的 event-loop 事件驱动
• 内置 goroutine 池，由开源库 ants 提供支持
• 内置 bytes 内存池，由开源库 bytebufferpool 提供支持
• 整个生命周期是无锁的
• 简洁的 APIs
• 基于 Ring-Buffer 的高效内存利用
• 支持多种网络协议/IPC 机制：TCP、UDP 和 Unix Domain Socket
• 支持多种负载均衡算法：Round-Robin(轮询)、Source Addr Hash(源地址哈希) 和 Least-Connections(最少连接数)
• 支持两种事件驱动机制：Linux 里的 epoll 以及 FreeBSD/Darwin 里的 kqueue
• 支持异步写操作
• 灵活的事件定时器
• SO_REUSEPORT 端口重用
• 内置多种编解码器，支持对 TCP 数据流分包：LineBasedFrameCodec, DelimiterBasedFrameCodec, FixedLengthFrameCodec 和 LengthFieldBasedFrameCodec，参考自 netty codec，而且支持自定制编解码器
• 支持 Windows 平台，基于 IOCP 事件驱动机制 Go 标准网络库
• 实现 gnet 客户端

核心设计

多线程/Go程网络模型

主从多 Reactors

gnet 重新设计开发了一个新内置的多线程/Go程网络模型：『主从多 Reactors』，这也是 netty 默认的多线程网络模型，下面是这个模型的原理图：

它的运行流程如下面的时序图：

主从多 Reactors + 线程/Go程池

你可能会问一个问题：如果我的业务逻辑是阻塞的，那么在 EventHandler.React 注册方法里的逻辑也会阻塞，从而导致阻塞 event-loop 线程，这时候怎么办？

正如你所知，基于 gnet 编写你的网络服务器有一条最重要的原则：永远不能让你业务逻辑（一般写在 EventHandler.React 里）阻塞 event-loop 线程，这也是 netty 的一条最重要的原则，否则的话将会极大地降低服务器的吞吐量。

我的回答是，基于gnet 的另一种多线程/Go程网络模型：『带线程/Go程池的主从多 Reactors』可以解决阻塞问题，这个新网络模型通过引入一个 worker pool 来解决业务逻辑阻塞的问题：它会在启动的时候初始化一个 worker pool，然后在把 EventHandler.React里面的阻塞代码放到 worker pool 里执行，从而避免阻塞 event-loop 线程。

模型的架构图如下所示：

它的运行流程如下面的时序图：

gnet 通过利用 ants goroutine 池（一个基于 Go 开发的高性能的 goroutine 池 ，实现了对大规模 goroutines 的调度管理、goroutines 复用）来实现『主从多 Reactors + 线程/Go程池』网络模型。关于 ants 的全部功能和使用，可以在 ants 文档 里找到。

gnet 内部集成了 ants 以及提供了 pool.goroutine.Default() 方法来初始化一个 ants goroutine 池，然后你可以把 EventHandler.React 中阻塞的业务逻辑提交到 goroutine 池里执行，最后在 goroutine 池里的代码调用 gnet.Conn.AsyncWrite([]byte) 方法把处理完阻塞逻辑之后得到的输出数据异步写回客户端，这样就可以避免阻塞 event-loop 线程。

有关在 gnet 里使用 ants goroutine 池的细节可以到这里进一步了解。

自动扩容的 Ring-Buffer

gnet 内置了inbound 和 outbound 两个 buffers，基于 Ring-Buffer 原理实现，分别用来缓冲输入输出的网络数据以及管理内存。

对于 TCP 协议的流数据，使用 gnet 不需要业务方为了解析应用层协议而自己维护和管理 buffers，gnet 会替业务方完成缓冲和管理网络数据的任务，降低业务代码的复杂性以及降低开发者的心智负担，使得开发者能够专注于业务逻辑而非一些底层实现。

开始使用

前提

gnet 需要 Go 版本 >= 1.9。

安装

go get -u github.com/panjf2000/gnet

gnet 支持作为一个 Go module 被导入，基于 Go 1.11 Modules (Go 1.11+)，只需要在你的项目里直接 import "github.com/panjf2000/gnet"，然后运行 go [build|run|test] 自动下载和构建需要的依赖包。

使用示例

详细的文档在这里: gnet 接口文档，不过下面我们先来了解下使用 gnet 的简略方法。

用 gnet 来构建网络服务器是非常简单的，只需要实现 gnet.EventHandler接口然后把你关心的事件函数注册到里面，最后把它连同监听地址一起传递给 gnet.Serve 函数就完成了。在服务器开始工作之后，每一条到来的网络连接会在各个事件之间传递，如果你想在某个事件中关闭某条连接或者关掉整个服务器的话，直接在事件函数里把 gnet.Action 设置成 Cosed 或者 Shutdown就行了。

Echo 服务器是一种最简单网络服务器，把它作为 gnet 的入门例子在再合适不过了，下面是一个最简单的 echo server，它监听了 9000 端口：

不带阻塞逻辑的 echo 服务器

package main

import (
    "log"

    "github.com/panjf2000/gnet"
)

type echoServer struct {
    *gnet.EventServer
}

func (es *echoServer) React(frame []byte, c gnet.Conn) (out []byte, action gnet.Action) {
    out = frame
    return
}

func main() {
    echo := new(echoServer)
    log.Fatal(gnet.Serve(echo, "tcp://:9000", gnet.WithMulticore(true)))
}

正如你所见，上面的例子里 gnet 实例只注册了一个 EventHandler.React 事件。一般来说，主要的业务逻辑代码会写在这个事件方法里，这个方法会在服务器接收到客户端写过来的数据之时被调用，此时的输入参数: frame 已经是解码过后的一个完整的网络数据包，一般来说你需要实现 gnet 的codec 接口作为你自己的业务编解码器来处理 TCP 组包和分包的问题，如果你不实现那个接口的话，那么 gnet 将会使用默认的 codec，这意味着在 EventHandler.React 被触发调用之时输入参数: frame 里存储的是所有网络数据：包括最新的以及还在 buffer 里的旧数据，然后处理输入数据（这里只是把数据 echo 回去）并且在处理完之后把需要输出的数据赋值给 out 变量并返回，接着输出的数据会经过编码，最后被写回客户端。

带阻塞逻辑的 echo 服务器

package main

import (
    "log"
    "time"

    "github.com/panjf2000/gnet"
    "github.com/panjf2000/gnet/pool/goroutine"
)

type echoServer struct {
    *gnet.EventServer
    pool *goroutine.Pool
}

func (es *echoServer) React(frame []byte, c gnet.Conn) (out []byte, action gnet.Action) {
    data := append([]byte{}, frame...)

    // Use ants pool to unblock the event-loop.
    _ = es.pool.Submit(func() {
        time.Sleep(1 * time.Second)
        c.AsyncWrite(data)
    })

    return
}

func main() {
    p := goroutine.Default()
    defer p.Release()

    echo := &echoServer{pool: p}
    log.Fatal(gnet.Serve(echo, "tcp://:9000", gnet.WithMulticore(true)))
}

正如我在『主从多 Reactors + 线程/Go程池』那一节所说的那样，如果你的业务逻辑里包含阻塞代码，那么你应该把这些阻塞代码变成非阻塞的，比如通过把这部分代码放到独立的 goroutines 去运行，但是要注意一点，如果你的服务器处理的流量足够的大，那么这种做法将会导致创建大量的 goroutines 极大地消耗系统资源，所以我一般建议你用 goroutine pool 来做 goroutines 的复用和管理，以及节省系统资源。

更详细的代码在这里: gnet 示例。

I/O 事件

gnet 目前支持的 I/O 事件如下：

• EventHandler.OnInitComplete 当 server 初始化完成之后调用。
• EventHandler.OnOpened 当连接被打开的时候调用。
• EventHandler.OnClosed 当连接被关闭的之后调用。
• EventHandler.React 当 server 端接收到从 client 端发送来的数据的时候调用。（你的核心业务代码一般是写在这个方法里）
• EventHandler.Tick 服务器启动的时候会调用一次，之后就以给定的时间间隔定时调用一次，是一个定时器方法。
• EventHandler.PreWrite 预先写数据方法，在 server 端写数据回 client 端之前调用。

定时器

EventHandler.Tick 会每隔一段时间触发一次，间隔时间你可以自己控制，设定返回的 delay 变量就行。

定时器的第一次触发是在 gnet server 启动之后，如果你要设置定时器，别忘了设置 option 选项：WithTicker(true)。

events.Tick = func() (delay time.Duration, action Action){
    log.Printf("tick")
    delay = time.Second
    return
}

UDP 支持

gnet 支持 UDP 协议，所以在 gnet.Serve 里绑定允许绑定 UDP 地址，gnet 的 UDP 支持有如下的特性：

• 网络数据的读入和写出不做缓冲，会一次性读写客户端。
• EventHandler.OnOpened 和 EventHandler.OnClosed 这两个事件在 UDP 下不可用，唯一可用的事件是 React。
• TCP 里的异步写操作是 AsyncWrite([]byte) 方法，而在 UDP 里对应的方法是 SendTo([]byte)。

Unix Domain Socket 支持

gnet 还支持 UDS(Unix Domain Socket) 机制，只需要把类似 "unix://xxx" 的 UDS 地址传参给 gnet.Serve 函数绑定就行了。

在 gnet 里使用 UDS 和使用 TCP 没有什么不同，所有 TCP 协议下可以使用的事件函数都可以在 UDS 中使用。

使用多核

gnet.WithMulticore(true) 参数指定了 gnet 是否会使用多核来进行服务，如果是 true 的话就会使用多核，否则就是单核运行，利用的核心数一般是机器的 CPU 数量。

负载均衡

gnet 目前支持三种负载均衡算法：Round-Robin(轮询)、Source Addr Hash(源地址哈希) 和 Least-Connections(最少连接数)，你可以通过传递 functional option 的 LB (RoundRobin/LeastConnections/SourceAddrHash) 的值给 gnet.Serve 来指定要使用的负载均衡算法。

如果没有显示地指定，那么 gnet 将会使用 Round-Robin 作为默认的负载均衡算法。

SO_REUSEPORT 端口复用

服务器支持 SO_REUSEPORT 端口复用特性，允许多个 sockets 监听同一个端口，然后内核会帮你做好负载均衡，每次只唤醒一个 socket 来处理 connect 请求，避免惊群效应。

默认情况下，gnet 也不会有惊群效应，因为 gnet 默认的网络模型是主从多 Reactors，只会有一个主 reactor 在监听端口以及接受新连接。所以，开不开启 SO_REUSEPORT 选项是无关紧要的，只是开启了这个选项之后 gnet 的网络模型将会切换成 evio 的旧网络模型，这一点需要注意一下。

开启这个功能也很简单，使用 functional options 设置一下即可：

gnet.Serve(events, "tcp://:9000", gnet.WithMulticore(true), gnet.WithReusePort(true)))

多种内置的 TCP 流编解码器

gnet 内置了多种用于 TCP 流分包的编解码器。

目前一共实现了 4 种常见的编解码器：LineBasedFrameCodec, DelimiterBasedFrameCodec, FixedLengthFrameCodec 和 LengthFieldBasedFrameCodec，基本上能满足大多数应用场景的需求了；而且 gnet 还允许用户实现自己的编解码器：只需要实现 gnet.ICodec 接口，并通过 functional options 替换掉内部默认的编解码器即可。

这里有一个使用编解码器对 TCP 流分包的例子。

性能测试

TechEmpower 性能测试

# Hardware
CPU: 28 HT Cores Intel(R) Xeon(R) Gold 5120 CPU @ 2.20GHz
Mem: 32GB RAM
OS : Ubuntu 18.04.3 4.15.0-88-generic #88-Ubuntu
Net: Switched 10-gigabit ethernet
Go : go1.14.x linux/amd64

这是包含全部编程语言框架的性能排名前 50 的结果，总榜单包含了全世界共计 382 个框架。

这是 Go 语言分类下的全部排名。

完整的排行可以通过 Full ranking list of Plaintext 查看.

同类型的网络库性能对比

Linux (epoll)

系统参数

# Machine information
        OS : Ubuntu 18.04/x86_64
       CPU : 8 Virtual CPUs
    Memory : 16.0 GiB

# Go version and configurations
Go Version : go1.12.9 linux/amd64
GOMAXPROCS=8

Echo Server

HTTP Server

FreeBSD (kqueue)

系统参数

# Machine information
        OS : macOS Mojave 10.14.6/x86_64
       CPU : 4 CPUs
    Memory : 8.0 GiB

# Go version and configurations
Go Version : go version go1.12.9 darwin/amd64
GOMAXPROCS=4

Echo Server

HTTP Server