用 Golang 实现百万级 Websocket 服务 | Go 技术论坛

用Golang实现百万级Websocket服务

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前言：本文为国外大佬的一篇文章，因为我最近在研究和学习使用go写一个消息服务器，所以找到这篇文章，于是将它翻译过来，希望能够帮到其他的同学。这是我的处女作翻译作品。希望大神能够帮助指导修正。以后可能每周都会有一篇国外技术文章的翻译，有兴趣的同学可以加QQ群共同讨论（511247400）。

Websocket

如果你很熟悉websocket，但是不了解Go，我希望你先掌握一些Go的知识

1.介绍

要定义我们的故事背景，应该说下我们为什么需要这样的一个服务。

我们有一个状态系统，用户邮箱存储就是其中之一，这里有一些方法去跟踪系统状态的变化和系统事件。大多是通过定期轮询或系统通知来改变状态。

两种方法各有利弊，但是提到email，用户越快接受到邮件越好。

50000HTTP60%304

email发布者订阅者

之前
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现在：
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第一个方案展示的就我们之前说的第一个，浏览器定期轮询Api并且询问邮箱存储服务的改变。

Websocket发布者

所以，今天我们来讨论这个API和Websocket服务，展望未来，我将告诉你这个服务将又有300万在线连接。

2. 通常解决方法

让我们看下如何在没有任何优化的情况下使用普通GO功能实现服务器的某些功能。

net/http

channel

2.1 channel struct

// Packet represents application level data.
type Packet struct {
    ...
}

// Channel wraps user connection.
type Channel struct {
    conn net.Conn    // WebSocket connection.
    send chan Packet // Outgoing packets queue.
}

func NewChannel(conn net.Conn) *Channel {
    c := &Channel{
        conn: conn,
        send: make(chan Packet, N),
    }

    go c.reader()
    go c.writer()

    return c
}

Websocket channel 实现

我想，你应该注意到两个读写的goroutines，每个goroutines拥有一个堆内存，并且初始大小为2K到8K大小，这取决于操作系统和Go的版本。

关于上面我们提到的300万在线连接，我们就需要24GB的内存（按每个goroutine 4Kb 堆内存计算），而且没有为channel结构体分配内存。

2.2 I/O goroutines

reader

func (c *Channel) reader() {
    // We make a buffered read to reduce read syscalls.
    buf := bufio.NewReader(c.conn)

    for {
        pkt, _ := readPacket(buf)
        c.handle(pkt)
    }
}

这里我们使用bufio.Reader减少read（）系统调用的次数，并读取buf缓冲区大小允许的数量，在一个无限循环内，我们接受一个新的数据进来。请记住：（等待新的数据到来）。我们稍后将返回它。

bufwriter

func (c *Channel) writer() {
    // We make buffered write to reduce write syscalls. 
    buf := bufio.NewWriter(c.conn)

    for pkt := range c.send {
        _ := writePacket(buf, pkt)
        buf.Flush()
    }
}

c.send

2.3 HTTP

channelwebsockt

TCP

import (
    "net/http"
    "some/websocket"
)

http.HandleFunc("/v1/ws", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    conn, _ := websocket.Upgrade(r, w)
    ch := NewChannel(conn)
    //...
})

http.ResponseWriterbufio.Readerbufio.Writer*http.Request

WebsocketresponseWriter.Hijack()I/O

提示：在某些情况下，go：linkname可用于通过调用 net / http.putBufio {Reader，Writer} 将缓冲区返回到net / http内的sync.Pool。

从而，我们300万的在线连接又需要额外24GB的内存，所以，我们的应用程序就需要72GB内存，并且什么也没做。

3. 优化

Websocketping/pong

连接的生命周期可能是几秒到几天

Channel.reader()Channel.writer()

现在我们已经清楚哪些能够做的更好，哪些不能。

3.1. Netpoll

Channel.reader()bufio.Reader.Read()conn.Read()goroutinegoroutinegoroutine

conn.Read（）net.netFD.Read（）

func (fd *netFD) Read(p []byte) (n int, err error) {
    //...
    for {
        n, err = syscall.Read(fd.sysfd, p)
        if err != nil {
            n = 0
            if err == syscall.EAGAIN {
                if err = fd.pd.waitRead(); err == nil {
                    continue
                }
            }
        }
        //...
        break
    }
    //...
}

Go 使用非阻塞模式，“ EAGAIN ” 说没有数据在socket连接里并且不要锁定读取空的Websocket连接。OS将控制权返回给我们

read" EAGAIN "pollDesc.waitRead（）

// net/fd_poll_runtime.go

func (pd *pollDesc) waitRead() error {
   return pd.wait('r')
}

func (pd *pollDesc) wait(mode int) error {
   res := runtime_pollWait(pd.runtimeCtx, mode)
   //...
}

netpollLinuxepollBSDkqueuegoroutinesocket

netpoll

3.2 摆脱goroutines

Channel.reader（）goroutine

并订阅连接中可读数据的事件

ch := NewChannel(conn)

// Make conn to be observed by netpoll instance.
poller.Start(conn, netpoll.EventRead, func() {
    // We spawn goroutine here to prevent poller wait loop
    // to become locked during receiving packet from ch.
    go Receive(ch)
})

// Receive reads a packet from conn and handles it somehow.
func (ch *Channel) Receive() {
    buf := bufio.NewReader(ch.conn)
    pkt := readPacket(buf)
    c.handle(pkt)
}

Channel.writer（）

func (ch *Channel) Send(p Packet) {
    if c.noWriterYet() {
        go ch.writer()
    }
    ch.send <- p
}

write（）EAGAIN

ch.sendwritergoroutine

I/O

3.3 控制资源

大量的连接并不只是涉及高内存消耗，当开发服务时，我们经历了反复的竞争条件和死锁之后通常会出现所谓的自我DDoS--应用程序客户端试图连接到服务器从而进一步破坏它的情况。

ping/pong

如果锁定或重载的服务器刚刚停止接受新连接，并且它之前的平衡器（例如，nginx）将请求传递给下一个服务器实例，那将是很好的。

此外，服务器负载如何，如果所有客户突然想以任何理由向我们发送数据包，先前保存的48 GB将再次使用，我们实际上会回到每个连接的goroutine和缓冲区的初始状态。

goroutine 池

goroutine

package gopool

func New(size int) *Pool {
    return &Pool{
        work: make(chan func()),
        sem:  make(chan struct{}, size),
    }
}

func (p *Pool) Schedule(task func()) error {
    select {
    case p.work <- task:
    case p.sem <- struct{}{}:
        go p.worker(task)
    }
}

func (p *Pool) worker(task func()) {
    defer func() { <-p.sem }
    for {
        task()
        task = <-p.work
    }
}

现在我们的netpoll代码如下：

pool := gopool.New(128)

poller.Start(conn, netpoll.EventRead, func() {
    // We will block poller wait loop when
    // all pool workers are busy.
    pool.Schedule(func() {
        Receive(ch)
    })
})

socketgoroutine

Send（）：

pool := gopool.New(128)

func (ch *Channel) Send(p Packet) {
    if c.noWriterYet() {
        pool.Schedule(ch.writer)
    }
    ch.send <- p
}

go ch.writer()goroutinesgoroutinesAccept（）Upgrade（）

3.4 零拷贝升级

WebsocketWebsocket

GET /ws HTTP/1.1
Host: mail.ru
Connection: Upgrade
Sec-Websocket-Key: A3xNe7sEB9HixkmBhVrYaA==
Sec-Websocket-Version: 13
Upgrade: websocket

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection: Upgrade
Sec-Websocket-Accept: ksu0wXWG+YmkVx+KQR2agP0cQn4=
Upgrade: websocket

Websockethttp.Request

http.Request

但是该怎么返回呢？

WebSocket 实现

我们的服务器优化时存在的所有库都允许我们仅为标准的net / http服务器进行升级，而且，（两个）库都不能使用所有上述读写优化，使这些优化工作，我们必须有一个相当低级的API来处理WebSocket。重用缓冲区，我们需要procotol函数看起来像这样：

func ReadFrame(io.Reader) (Frame, error)
func WriteFrame(io.Writer, Frame) error

如果我们有一个带有这种API的库,我们可以按如下方式从连接中读取数据包（数据包写入看起来一样）：

// getReadBuf, putReadBuf are intended to 
// reuse *bufio.Reader (with sync.Pool for example).
func getReadBuf(io.Reader) *bufio.Reader
func putReadBuf(*bufio.Reader)

// readPacket must be called when data could be read from conn.
func readPacket(conn io.Reader) error {
    buf := getReadBuf()
    defer putReadBuf(buf)

    buf.Reset(conn)
    frame, _ := ReadFrame(buf)
    parsePacket(frame.Payload)
    //...
}

简而言之，是时候建立自己的库了。

github.com/gobwas/ws

io.Readerio.WriterI / O

net/httpwsws.Upgrade（）io.ReadWriternet.Connnet.Listenln.Accept()ws.Upgrade()CookieSession

下面是升级请求处理的基准：标准net / http服务器与net.Listen（）以及零拷贝升级：

BenchmarkUpgradeHTTP    5156 ns/op    8576 B/op    9 allocs/op
BenchmarkUpgradeTCP     973 ns/op     0 B/op       0 allocs/op

wsnet / httpI / O

3.5 概要

让我们构建一下我告诉你的优化

goroutinenetpollgoroutinenetpoll

这就是服务器代码：

import (
    "net"
    "github.com/gobwas/ws"
)

ln, _ := net.Listen("tcp", ":8080")

for {
    // Try to accept incoming connection inside free pool worker.
    // If there no free workers for 1ms, do not accept anything and try later.
    // This will help us to prevent many self-ddos or out of resource limit cases.
    err := pool.ScheduleTimeout(time.Millisecond, func() {
        conn := ln.Accept()
        _ = ws.Upgrade(conn)

        // Wrap WebSocket connection with our Channel struct.
        // This will help us to handle/send our app's packets.
        ch := NewChannel(conn)

        // Wait for incoming bytes from connection.
        poller.Start(conn, netpoll.EventRead, func() {
            // Do not cross the resource limits.
            pool.Schedule(func() {
                // Read and handle incoming packet(s).
                ch.Recevie()
            })
        })
    })
    if err != nil {   
        time.Sleep(time.Millisecond)
    }
}

4. 总结

过早优化是编程中所有邪恶（或至少大部分）的根源。唐纳德克努特

当然，上述优化是相对应的，并非在所有情况下。例如，如果自由资源（内存，CPU）与在线连接数之间的比率相当高，则优化可能没有意义。但是，通过了解改进的位置和内容，您可以从中受益匪浅。

感谢您的关注！

5. 参考

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