Go语言并发编程

Posted 2021-01-17 beiluowuzheng

Telnet回音服务器

Telnet协议是TCP/IP协议族中的一种。它允许用户（Telnet客户端）通过一个协商过程与一个远程设备进行通信。本例将使用一部分Telnet协议与服务器进行通信。

服务器的网络库为了完整展示自己的代码实现了完整的收发过程，一般比较倾向于使用发送任意封包返回原数据的逻辑。这个过程类似于对着大山高喊，大山把你的声音原样返回的过程。也就是回音（Echo）。本节使用Go语言中的socket、goroutine和通道编写一个简单的Telnet协议的回音服务器。

回音服务器的代码分为4个部分，分别是接受连接、会话处理、Telnet命令处理和程序入口。

1.接受连接

回音服务器能同时服务于多个连接。要接受连接就需要先创建侦听器，侦听器需要一个侦听地址和协议类型。就像你想卖东西，需要先确认卖什么东西，卖东西的类型就是协议类型，然后需要一个店面，店面位于街区的某个位置，这就是侦听器的地址。一个服务器可以开启多个侦听器，就像一个街区可以有多个店面。街区上的编号对应的就是地址中的端口号，如图1-2所示。

图1-2   IP和端口号

• 主机 IP：一般为一个 IP 地址或者域名，127.0.0.1 表示本机地址。
• 端口号：16 位无符号整型值，一共有 65536 个有效端口号。

通过地址和协议名创建侦听器后，可以使用侦听器响应客户端连接。响应连接是一个不断循环的过程，就像到银行办理业务时，一般是排队处理，前一个人办理完后，轮到下一个人办理。

我们把每个客户端连接处理业务的过程叫做会话。在会话中处理的操作和接受连接的业务并不冲突可以同时进行。就像银行有 3 个窗口，喊号器会将用户分配到不同的柜台。这里的喊号器就是 Accept 操作，窗口的数量就是 CPU 的处理能力。因此，使用 goroutine 可以轻松实现会话处理和接受连接的并发执行。

如图1-3清晰地展现了这一过程。

图1-3   socket处理过程

Go语言中可以根据实际会话数量创建多个goroutine，并自动的调度它们的处理。

server.go

package main

import (
    "fmt"
    "net"
)

// 服务逻辑, 传入地址和退出的通道
func server(address string, exitChan chan int) {

    // 根据给定地址进行侦听
    l, err := net.Listen("tcp", address)

    // 如果侦听发生错误, 打印错误并退出
    if err != nil {
        fmt.Println(err.Error())
        exitChan <- 1
    }

    // 打印侦听地址, 表示侦听成功
    fmt.Println("listen: " + address)

    // 延迟关闭侦听器
    defer l.Close()

    // 侦听循环
    for {

        // 新连接没有到来时, Accept是阻塞的
        conn, err := l.Accept()

        // 发生任何的侦听错误, 打印错误并退出服务器
        if err != nil {
            fmt.Println(err.Error())
            continue
        }

        // 根据连接开启会话, 这个过程需要并行执行
        go handleSession(conn, exitChan)
    }
}

　　

代码说明如下：

• 第9行，接受连接的入口，address为传入的地址，退出服务器使用exitChan的通道控制。往exitChan写入一个整型值时，进程将以整型值作为程序返回值来结束服务器。
• 第12行，使用net包的Listen()函数进行侦听。这个函数需要提供两个参数，第一个参数为协议类型，本例需要做的是TCP连接，因此填入“tcp”；address为地址，格式为“主机:端口号”。
• 第15行，如果侦听发生错误，通过第17行，往exitChan中写入非0值结束服务器，同时打印侦听错误。
• 第24行，使用defer，将侦听器的结束延迟调用。
• 第27行，侦听开始后，开始进行连接接受，每次接受连接后需要继续接受新的连接，周而复始。
• 第30行，服务器接受了一个连接。在没有连接时，Accept()函数调用后会一直阻塞。连接到来时，返回conn和错误变量，conn的类型是*tcp.Conn。
• 第33行，某些情况下，连接接受会发生错误，不影响服务器逻辑，这时重新进行新连接接受。
• 第39行，每个连接会生成一个会话。这个会话的处理与接受逻辑需要并行执行，彼此不干扰。

2.会话处理

每个连接的会话就是一个接收数据的循环。当没有数据时，调用reader.ReadString会发生阻塞，等待数据的到来。一旦数据到来，就可以进行各种逻辑处理。

回音服务器的基本逻辑是“收到什么返回什么”，reader.ReadString可以一直读取socket连接中的数据直到碰到期望的结尾符。这种期望的结尾符也叫定界符，一般用于将TCP封包中的逻辑数据拆分开。下例中使用的定界符是回车换行符（“ ”），HTTP协议也是使用同样的定界符。使用reader.ReadString()函数可以将封包简单地拆分开。

如图1-4所示为Telnet数据处理过程。

图1-4   Telnet数据处理过程

回音服务器需要将收到的有效数据通过socket发送回去。

session.go

package main

import (
    "bufio"
    "fmt"
    "net"
    "strings"
)

// 连接的会话逻辑
func handleSession(conn net.Conn, exitChan chan int) {

    fmt.Println("Session started:")

    // 创建一个网络连接数据的读取器
    reader := bufio.NewReader(conn)

    // 接收数据的循环
    for {

        // 读取字符串, 直到碰到回车返回
        str, err := reader.ReadString(‘
‘)

        // 数据读取正确
        if err == nil {

            // 去掉字符串尾部的回车
            str = strings.TrimSpace(str)

            // 处理Telnet指令
            if !processTelnetCommand(str, exitChan) {
                conn.Close()
                break
            }

            // Echo逻辑, 发什么数据, 原样返回
            conn.Write([]byte(str + "
"))

        } else {
            // 发生错误
            fmt.Println("Session closed")
            conn.Close()
            break
        }
    }

}

　　

代码说明如下：

• 第11行是会话入口，传入连接和退出用的通道。handleSession()函数被并发执行。
• 第16行，使用bufio包的NewReader()方法，创建一个网络数据读取器，这个Reader将输入数据的读取过程进行封装，方便我们迅速获取到需要的数据。
• 第19行，会话处理开始时，从socket连接，通过reader读取器读取封包，处理封包后需要继续读取从网络发送过来的下一个封包，因此需要一个会话处理循环。
• 第22行，使用reader.ReadString()方法进行封包读取。内部会自动处理粘包过程，直到下一个回车符到达后返回数据。这里认为封包来自Telnet，每个指令以回车换行符（“ ”）结尾。
• 第25行，数据读取正常时，返回err为nil。如果发生连接断开、接收错误等网络错误时，err就不是nil了。
• 第28行，reader.ReadString读取返回的字符串尾部带有回车符，使用strings.TrimSpace()函数将尾部带的回车和空白符去掉。
• 第31行，将str字符串传入Telnet指令处理函数processTelnetCommand()中，同时传入退出控制通道exitChan。当这个函数返回false时，表示需要关闭当前连接。
• 第32行和第33行，关闭当前连接并退出会话接受循环。
• 第37行，将有效数据通过conn的Write()方法写入，同时在字符串尾部添加回车换行符（“ ”），数据将被socket发送给连接方。
• 第41～43行，处理当reader.ReadString()函数返回错误时，打印错误信息并关闭连接，退出会话并接收循环。

3.Telnet命令处理

Telnet是一种协议。在操作系统中可以在命令行使用Telnet命令发起TCP连接。我们一般用Telnet来连接TCP服务器，键盘输入一行字符回车后，即被发送到服务器上。

在下例中，定义了以下两个特殊控制指令，用以实现一些功能：

• 输入“@close”退出当前连接会话。
• 输入“@shutdown”终止服务器运行。

Telnet命令处理：

telnet.go

package main

import (
    "fmt"
    "strings"
)

func processTelnetCommand(str string, exitChan chan int) bool {

    // @close指令表示终止本次会话
    if strings.HasPrefix(str, "@close") {

        fmt.Println("Session closed")

        // 告诉外部需要断开连接
        return false

        // @shutdown指令表示终止服务进程
    } else if strings.HasPrefix(str, "@shutdown") {

        fmt.Println("Server shutdown")

        // 往通道中写入0, 阻塞等待接收方处理
        exitChan <- 0

        // 告诉外部需要断开连接
        return false
    }

    // 打印输入的字符串
    fmt.Println(str)

    return true

}

　　

代码说明如下：

• 第8行，处理Telnet命令的函数入口，传入有效字符并退出通道。
• 第11～16行，当输入字符串中包含“@close”前缀时，在第16行返回false，表示需要关闭当前会话。
• 第19～27行，当输入字符串中包含“@shutdown”前缀时，第24行将0写入exitChan，表示结束服务器。
• 第31行，没有特殊的控制字符时，打印输入的字符串。

4.程序入口
Telnet回音处理主流程：

main.go

package main

import (
	"os"
)

func main() {

	// 创建一个程序结束码的通道
	exitChan := make(chan int)

	// 将服务器并发运行
	go server("127.0.0.1:7001", exitChan)

	// 通道阻塞，等待接收返回值
	code := <-exitChan

	// 标记程序返回值，并退出
	os.Exit(code)
}

　　

代码说明如下：

• 第10行，创建一个整型的无缓冲通道作为退出信号。
• 第13行，接受连接的过程可以并发操作，使用go将server()函数开启goroutine。
• 第16行，从exitChan中取出返回值。如果取不到数据就一直阻塞。
• 第19行，将程序返回值传入os.Exit()函数中并终止程序。

编译所有代码并运行，命令行提示如下：

listen: 127.0.0.1:7001

　　

此时，socket侦听成功。在操作系统中的命令行中输入：

telnet 127.0.0.1 7001

　　

尝试连接本地的7001端口。接下来进入测试服务器的流程。

5.测试输入字符串

在Telnet连接后，输入字符串hello，Telnet命令行显示如下：

$ telnet 127.0.0.1 7001
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is ‘^]‘.
hello
hello

　　

服务器显示如下：

listen: 127.0.0.1:7001
Session started:
hello

　　

客户端输入的字符串会在服务器中显示，同时客户端也会收到自己发给服务器的内容，这就是一次回音。

6.测试关闭会话
当输入@close时，Telnet命令行显示如下：

@close
Connection closed by foreign host

　　

服务器显示如下：

Session closed

　　

此时，客户端Telnet与服务器断开连接。

7.测试关闭服务器

测试关闭服务器
当输入@shutdown时，Telnet命令行显示如下：

@shutdown
Connection closed by foreign host.

　　

服务器显示如下：

Server shutdown

　　

此时服务器会自动关闭。