[开源] gnet: 一个轻量级且高性能的 Golang 网络库

Posted 2020-11-16 _andy

Github 主页

https://github.com/panjf2000/gnet

欢迎大家围观~~，目前还在持续更新，感兴趣的话可以 star 一下暗中观察哦。

简介

gnet 是一个基于 Event-Loop 事件驱动的高性能和轻量级网络库。这个库直接使用 epoll 和 kqueue 系统调用而非标准 Golang 网络包：net 来构建网络应用，它的工作原理类似于两个开源的网络库：libuv 和 libevent。

这个项目存在的价值是提供一个在网络包处理方面能和 Redis、Haproxy 这两个项目具有相近性能的Go 语言网络服务器框架。

gnet 的亮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-Socket）网络库，开发者可以使用 gnet 来实现自己的应用层网络协议，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，但是性能更好。

功能

• 高性能 的基于多线程模型的 Event-Loop 事件驱动
• 内置 Round-Robin 轮询负载均衡算法
• 简洁的 APIs
• 基于 Ring-Buffer 的高效内存利用
• 支持多种网络协议：TCP、UDP、Unix Sockets
• 支持两种事件驱动机制：Linux 里的 epoll 以及 FreeBSD 里的 kqueue
• 支持异步写操作
• 允许多个网络监听地址绑定在一个 Event-Loop 上
• 灵活的事件定时器
• SO_REUSEPORT 端口重用

核心设计

多线程/Go程模型

主从多 Reactors 模型

gnet 重新设计开发了一个新内置的多线程/Go程模型：『主从多 Reactors』，这也是 netty 默认的线程模型，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 Event.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 Event.React() 里）阻塞 event-loop 线程，否则的话将会极大地降低服务器的吞吐量，这也是 netty 的一条最重要的原则。

我的回答是，现在我正在为 gnet 开发一个新的多线程/Go程模型：『带线程/Go程池的主从多 Reactors』，这个新网络模型将通过引入一个 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 Event.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，

这个模型还在持续开发中并且很快就能完成，模型的架构图如下所示：

它的运行流程如下面的时序图：

不过，在这个新的网络模型开发完成之前，你依然可以通过一些其他的外部开源 goroutine pool 来处理你的阻塞业务逻辑，在这里我推荐个人开发的一个开源 goroutine pool：ants，它是一个基于 Go 开发的高性能的 goroutine pool ，实现了对大规模 goroutine 的调度管理、goroutine 复用。

你可以在开发 gnet 网络应用的时候集成 ants 库，然后把那些阻塞业务逻辑提交到 ants 池里去执行，从而避免阻塞 event-loop 线程。

通信机制

gnet 的『主从 Reactors 多线程』模型是基于 Golang 里的 Goroutines的，一个 Reactor 挂载在一个 Goroutine 上，所以在 gnet 的这个网络模型里主 Reactor/Goroutine 与从 Reactors/Goroutines 有海量通信的需求，因此 gnet 里必须要有一个能在 Goroutines 之间进行高效率的通信的机制，我没有选择 Golang 里的主流方案：基于 Channel 的 CSP 模型，而是选择了性能更好、基于 Ring-Buffer 的 Disruptor 方案。

所以我最终选择了 go-disruptor：高性能消息分发队列 LMAX Disruptor 的 Golang 实现。

自动扩容的 Ring-Buffer

gnet 利用 Ring-Buffer 来缓存 TCP 流数据以及管理内存使用。

开始使用

安装

$ go get -u github.com/panjf2000/gnet

使用示例

用 gnet 来构建网络服务器是非常简单的，只需要把你关心的事件注册到 gnet.Events 里面，然后把它和绑定的监听地址一起传递给 gnet.Serve 方法就完成了。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"
)

func main() {
    var events gnet.Events
    events.Multicore = true
    events.React = func(c gnet.Conn) (out []byte, action gnet.Action) {
        top, tail := c.ReadPair()
        out = append(top, tail...)
        c.ResetBuffer()
        if trace {
            log.Printf("%s", strings.TrimSpace(string(top)+string(tail)))
        }
        return
    }
    log.Fatal(gnet.Serve(events, "tcp://:9000"))
}

正如你所见，上面的例子里 gnet 实例只注册了一个 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，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 变量然后返回，之后你就不用管了，gnet 会帮你把数据写回客户端的。

带阻塞逻辑的 echo 服务器

package main

import (
    "log"
    "time"

    "github.com/panjf2000/gnet"
    "github.com/panjf2000/ants"
)

func main() {
    var events gnet.Events
    events.Multicore = true
    
    poolSize := 256 * 1024
    pool, _ := ants.NewPool(poolSize, ants.WithNonblocking(true))
    defer pool.Release()
    
    events.React = func(c gnet.Conn) (out []byte, action gnet.Action) {
        data := c.ReadBytes()
        c.ResetBuffer()
        // Use ants pool to unblock the event-loop.
        _ = pool.Submit(func() {
            time.Sleep(1 * time.Second)
            c.AsyncWrite(data)
        })
        return
    }
    log.Fatal(gnet.Serve(events, "tcp://:9000"))
}

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通过 goroutine 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。

I/O 事件

gnet 目前支持的 I/O 事件如下：

• OnInitComplete 当 server 初始化完成之后调用。
• OnOpened 当连接被打开的时候调用。
• OnClosed 当连接被关闭的时候调用。
• 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）
• 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。
• PreWrite 预先写数据方法，在 server 端写数据回 client 端之前调用。

多地址绑定

// 在同一个 Server 上同时绑定 TCP 和 Unix-Socket 两个地址
gnet.Serve(events, "tcp://:9000", "unix://socket")

定时器

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.Serving 事件之后。

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

UDP 支持

gnet 支持 UDP 协议，在 gnet.Serve 里绑定 UDP 地址即可，gnet 的 UDP 支持有如下的特性：

• 数据进入服务器之后立刻写回客户端，不做缓存。
• OnOpened 和 OnClosed 这两个事件在 UDP 下不可用，唯一可用的事件是 React。

使用多核

Events.Multicore 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 目前内置的负载均衡算法是轮询调度 Round-Robin，暂时不支持自定制。

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 accept 请求，避免惊群效应。

开启这个功能也很简单，在要绑定的监听地址后面设置 reuseport=true 即可：

gnet.Serve(events, "tcp://:9000?reuseport=true"))

性能测试

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

同类型的网络库性能对比：

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

证书

gnet 的源码允许用户在遵循 MIT 开源证书 规则的前提下使用。

相关文章

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• Going Infinite, handling 1M websockets connections in Go
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待做事项

gnet 还在持续开发的过程中，所以这个仓库的代码和文档会一直持续更新，如果你对 gnet 感兴趣的话，欢迎给这个开源库贡献你的代码，还有你要是喜欢 gnet 的话，可以给个星星鼓励一下哦 ~~