46 | 訪問網絡服務
前導內容：socket 與 IPC
人們常常會使用 Go 語言去編寫網絡程序（當然了，這方面也是 Go 語言最為擅長的事情）。說到網絡編程，我們就不得不提及 socket。
socket，常被翻譯為套接字，它應該算是網絡編程世界中最為核心的知識之一了。關於 socket，我們可以討論的東西太多了，因此，我在這里只圍繞着 Go 語言向你介紹一些關於它的基礎知識。
所謂 socket，是一種 IPC 方法。IPC 是 Inter-Process Communication 的縮寫，可以被翻譯為進程間通信。顧名思義，IPC 這個概念（或者說規范）主要定義的是多個進程之間，相互通信的方法。
這些方法主要包括：系統信號（signal）、管道（pipe）、套接字 （socket）、文件鎖（file lock）、消息隊列（message queue）、信號燈（semaphore，有的地方也稱之為信號量）等。現存的主流操作系統大都對 IPC 提供了強有力的支持，尤其是 socket。
你可能已經知道，Go 語言對 IPC 也提供了一定的支持。
比如，在os代碼包和os/signal代碼包中就有針對系統信號的 API。
又比如，os.Pipe函數可以創建命名管道，而os/exec代碼包則對另一類管道（匿名管道）提供了支持。對於 socket，Go 語言與之相應的程序實體都在其標准庫的net代碼包中。
毫不誇張地說，在眾多的 IPC 方法中，socket 是最為通用和靈活的一種。與其他的 IPC 方法不同，利用 socket 進行通信的進程，可以不局限在同一台計算機當中。
實際上，通信的雙方無論存在於世界上的哪個角落，只要能夠通過計算機的網卡端口以及網絡進行互聯，就可以使用 socket。
支持 socket 的操作系統一般都會對外提供一套 API。跑在它們之上的應用程序利用這套 API，就可以與互聯網上的另一台計算機中的程序、同一台計算機中的其他程序，甚至同一個程序中的其他線程進行通信。
例如，在 Linux 操作系統中，用於創建 socket 實例的 API，就是由一個名為socket的系統調用代表的。這個系統調用是 Linux 內核的一部分。
所謂的系統調用，你可以理解為特殊的 C 語言函數。它們是連接應用程序和操作系統內核的橋梁，也是應用程序使用操作系統功能的唯一渠道。
在 Go 語言標准庫的syscall代碼包中，有一個與這個socket系統調用相對應的函數。這兩者的函數簽名是基本一致的，它們都會接受三個int類型的參數，並會返回一個可以代表文件描述符的結果。
但不同的是，syscall包中的Socket函數本身是平台不相關的。在其底層，Go 語言為它支持的每個操作系統都做了適配，這才使得這個函數無論在哪個平台上，總是有效的。
package main
import (
"fmt"
"syscall"
)
func main() {
fd1, err := syscall.Socket(
syscall.AF_INET, syscall.SOCK_STREAM, syscall.IPPROTO_TCP)
if err != nil {
fmt.Printf("socket error: %v\n", err)
return
}
defer syscall.Close(fd1)
fmt.Printf("The file descriptor of socket：%d\n", fd1)
// 省略若干代碼。
// 如果真要完全使用syscall包中的程序實體建立網絡連接的話，
// 過程太過繁瑣而且完全沒有必要。
// 所以，我在這里就不做展示了。
}
Go 語言的net代碼包中的很多程序實體，都會直接或間接地使用到syscall.Socket函數。
比如，我們在調用net.Dial函數的時候，會為它的兩個參數設定值。其中的第一個參數名為network，它決定着 Go 程序在底層會創建什么樣的 socket 實例，並使用什么樣的協議與其他程序通信。
下面，我們就通過一個簡單的問題來看看怎樣正確地調用net.Dial函數。
今天的問題是：net.Dial函數的第一個參數network有哪些可選值？
這道題的典型回答是這樣的。
net.Dial函數會接受兩個參數，分別名為network和address，都是string類型的。
參數network常用的可選值一共有 9 個。這些值分別代表了程序底層創建的 socket 實例可使用的不同通信協議，羅列如下。
- "tcp"：代表 TCP 協議，其基於的 IP 協議的版本根據參數address的值自適應。
- "tcp4"：代表基於 IP 協議第四版的 TCP 協議。
- "tcp6"：代表基於 IP 協議第六版的 TCP 協議。
- "udp"：代表 UDP 協議，其基於的 IP 協議的版本根據參數address的值自適應。
- "udp4"：代表基於 IP 協議第四版的 UDP 協議。
- "udp6"：代表基於 IP 協議第六版的 UDP 協議。
- "unix"：代表 Unix 通信域下的一種內部 socket 協議，以 SOCK_STREAM 為 socket 類型。
- "unixgram"：代表 Unix 通信域下的一種內部 socket 協議，以 SOCK_DGRAM 為 socket 類型。
- "unixpacket"：代表 Unix 通信域下的一種內部 socket 協議，以 SOCK_SEQPACKET 為 socket 類型。
問題解析
為了更好地理解這些可選值的深層含義，我們需要了解一下syscall.Socket函數接受的那三個參數。
我在前面說了，這個函數接受的三個參數都是int類型的。這些參數所代表的分別是想要創建的 socket 實例通信域、類型以及使用的協議。
Socket 的通信域主要有這樣幾個可選項：IPv4 域、IPv6 域和 Unix 域。
我想你應該能夠猜出 IPv4 域、IPv6 域的含義，它們對應的分別是基於 IP 協議第四版的網絡，和基於 IP 協議第六版的網絡。
現在的計算機網絡大都是基於 IP 協議第四版的，但是由於現有 IP 地址的逐漸枯竭，網絡世界也在逐步地支持 IP 協議第六版。
Unix 域，指的是一種類 Unix 操作系統中特有的通信域。在裝有此類操作系統的同一台計算機中，應用程序可以基於此域建立 socket 連接。
以上三種通信域分別可以由syscall代碼包中的常量AF_INET、AF_INET6和AF_UNIX表示。
Socket 的類型一共有 4 種，分別是：SOCK_DGRAM、SOCK_STREAM、SOCK_SEQPACKET以及SOCK_RAW。
syscall代碼包中也都有同名的常量與之對應。前兩者更加常用一些。SOCK_DGRAM中的“DGRAM”代表的是 datagram，即數據報文。它是一種有消息邊界，但沒有邏輯連接的非可靠 socket 類型，我們熟知的基於 UDP 協議的網絡通信就屬於此類。
有消息邊界的意思是，與 socket 相關的操作系統內核中的程序（以下簡稱內核程序）在發送或接收數據的時候是以消息為單位的。
你可以把消息理解為帶有固定邊界的一段數據。內核程序可以自動地識別和維護這種邊界，並在必要的時候，把數據切割成一個一個的消息，或者把多個消息串接成連續的數據。如此一來，應用程序只需要面向消息進行處理就可以了。
所謂的有邏輯連接是指，通信雙方在收發數據之前必須先建立網絡連接。待連接建立好之后，雙方就可以一對一地進行數據傳輸了。顯然，基於 UDP 協議的網絡通信並不需要這樣，它是沒有邏輯連接的。
只要應用程序指定好對方的網絡地址，內核程序就可以立即把數據報文發送出去。這有優勢，也有劣勢。
優勢是發送速度快，不長期占用網絡資源，並且每次發送都可以指定不同的網絡地址。
當然了，最后一個優勢有時候也是劣勢，因為這會使數據報文更長一些。其他的劣勢有，無法保證傳輸的可靠性，不能實現數據的有序性，以及數據只能單向進行傳輸。
而SOCK_STREAM這個 socket 類型，恰恰與SOCK_DGRAM相反。它沒有消息邊界，但有邏輯連接，能夠保證傳輸的可靠性和數據的有序性，同時還可以實現數據的雙向傳輸。眾所周知的基於 TCP 協議的網絡通信就屬於此類。
這樣的網絡通信傳輸數據的形式是字節流，而不是數據報文。字節流是以字節為單位的。內核程序無法感知一段字節流中包含了多少個消息，以及這些消息是否完整，這完全需要應用程序自己去把控。
不過，此類網絡通信中的一端，總是會忠實地按照另一端發送數據時的字節排列順序，接收和緩存它們。所以，應用程序需要根據雙方的約定去數據中查找消息邊界，並按照邊界切割數據，僅此而已。
syscall.Socket函數的第三個參數用於表示 socket 實例所使用的協議。
通常，只要明確指定了前兩個參數的值，我們就無需再去確定第三個參數值了，一般把它置為0就可以了。這時，內核程序會自行選擇最合適的協議。
比如，當前兩個參數值分別為syscall.AF_INET和syscall.SOCK_DGRAM的時候，內核程序會選擇 UDP 作為協議。
又比如，在前兩個參數值分別為syscall.AF_INET6和syscall.SOCK_STREAM時，內核程序可能會選擇 TCP 作為協議。
（syscall.Socket 函數一瞥）
不過，你也看到了，在使用net包中的高層次 API 的時候，我們連那前兩個參數值都無需給定，只需要把前面羅列的那些字符串字面量的其中一個，作為network參數的值就好了。
當然，如果你在使用這些 API 的時候，能夠想到我在上面說的這些基礎知識的話，那么一定會對你做出正確的判斷和選擇有所幫助。
package main
import (
"bufio"
"crypto/tls"
"fmt"
"io"
"net"
"runtime"
)
func main() {
network := "tcp"
host := "google.cn"
reqStrTpl := `HEAD / HTTP/1.1
Accept: */*
Accept-Encoding: gzip, deflate
Connection: keep-alive
Host: %s
User-Agent: Dialer/%s
`
// 示例1。
network1 := network + "4"
address1 := host + ":80"
fmt.Printf("Dial %q with network %q ...\n", address1, network1)
conn1, err := net.Dial(network1, address1)
if err != nil {
fmt.Printf("dial error: %v\n", err)
return
}
defer conn1.Close()
reqStr1 := fmt.Sprintf(reqStrTpl, host, runtime.Version())
fmt.Printf("The request:\n%s\n", reqStr1)
_, err = io.WriteString(conn1, reqStr1)
if err != nil {
fmt.Printf("write error: %v\n", err)
return
}
fmt.Println()
reader1 := bufio.NewReader(conn1)
line1, err := reader1.ReadString('\n')
if err != nil {
fmt.Printf("read error: %v\n", err)
return
}
fmt.Printf("The first line of response:\n%s\n", line1)
fmt.Println()
// 示例2。
tlsConf := &tls.Config{
InsecureSkipVerify: true,
MinVersion: tls.VersionTLS10,
}
network2 := network
address2 := host + ":443"
fmt.Printf("Dial %q with network %q ...\n", address2, network2)
conn2, err := tls.Dial(network2, address2, tlsConf)
if err != nil {
fmt.Printf("dial error: %v\n", err)
return
}
defer conn2.Close()
reqStr2 := fmt.Sprintf(reqStrTpl, host, runtime.Version())
fmt.Printf("The request:\n%s\n", reqStr2)
_, err = io.WriteString(conn2, reqStr2)
if err != nil {
fmt.Printf("write error: %v\n", err)
return
}
reader2 := bufio.NewReader(conn2)
line2, err := reader2.ReadString('\n')
if err != nil {
fmt.Printf("read error: %v\n", err)
return
}
fmt.Printf("The first line of response:\n%s\n", line2)
fmt.Println()
}
知識擴展
問題 1：調用net.DialTimeout函數時給定的超時時間意味着什么？
簡單來說，這里的超時時間，代表着函數為網絡連接建立完成而等待的最長時間。這是一個相對的時間。它會由這個函數的參數timeout的值表示。
開始的時間點幾乎是我們調用net.DialTimeout函數的那一刻。在這之后，時間會主要花費在“解析參數network和address的值”，以及“創建 socket 實例並建立網絡連接”這兩件事情上。
不論執行到哪一步，只要在絕對的超時時間達到的那一刻，網絡連接還沒有建立完成，該函數就會返回一個代表了 I/O 操作超時的錯誤值。
值得注意的是，在解析address的值的時候，函數會確定網絡服務的 IP 地址、端口號等必要信息，並在需要時訪問 DNS 服務。
另外，如果解析出的 IP 地址有多個，那么函數會串行或並發地嘗試建立連接。但無論用什么樣的方式嘗試，函數總會以最先建立成功的那個連接為准。
同時，它還會根據超時前的剩余時間，去設定針對每次連接嘗試的超時時間，以便讓它們都有適當的時間執行。
再多說一點。在net包中還有一個名為Dialer的結構體類型。該類型有一個名叫Timeout的字段，它與上述的timeout參數的含義是完全一致的。實際上，net.DialTimeout函數正是利用了這個類型的值才得以實現功能的。
net.Dialer類型值得你好好學習一下，尤其是它的每個字段的功用以及它的DialContext方法。
package main
import (
"fmt"
"net"
"time"
)
type dailArgs struct {
network string
address string
timeout time.Duration
}
func main() {
dialArgsList := []dailArgs{
{
"tcp",
"google.cn:80",
time.Millisecond * 500,
},
{
"tcp",
"google.com:80",
time.Second * 2,
},
{
// 如果在這種情況下發生的錯誤是：
// "connect: operation timed out"，
// 那么代表着什么呢？
//
// 簡單來說，此錯誤表示底層的socket在連接網絡服務的時候先超時了。
// 這時拋出的其實是'syscall.ETIMEDOUT'常量代表的錯誤值。
"tcp",
"google.com:80",
time.Minute * 4,
},
}
for _, args := range dialArgsList {
fmt.Printf("Dial %q with network %q and timeout %s ...\n",
args.address, args.network, args.timeout)
ts1 := time.Now()
conn, err := net.DialTimeout(args.network, args.address, args.timeout)
ts2 := time.Now()
fmt.Printf("Elapsed time: %s\n", time.Duration(ts2.Sub(ts1)))
if err != nil {
fmt.Printf("dial error: %v\n", err)
fmt.Println()
continue
}
defer conn.Close()
fmt.Printf("The local address: %s\n", conn.LocalAddr())
fmt.Printf("The remote address: %s\n", conn.RemoteAddr())
fmt.Println()
}
}
總結
我們今天提及了使用 Go 語言進行網絡編程這個主題。作為引子，我先向你介紹了關於 socket 的一些基礎知識。socket 常被翻譯為套接字，它是一種 IPC 方法。IPC 可以被翻譯為進程間通信，它主要定義了多個進程之間相互通信的方法。
Socket 是 IPC 方法中最為通用和靈活的一種。與其他的方法不同，利用 socket 進行通信的進程可以不局限在同一台計算機當中。
只要通信的雙方能夠通過計算機的網卡端口，以及網絡進行互聯就可以使用 socket，無論它們存在於世界上的哪個角落。
支持 socket 的操作系統一般都會對外提供一套 API。Go 語言的syscall代碼包中也有與之對應的程序實體。其中最重要的一個就是syscall.Socket函數。
不過，syscall包中的這些程序實體，對於普通的 Go 程序來說都屬於底層的東西了，我們通常很少會用到。一般情況下，我們都會使用net代碼包及其子包中的 API 去編寫網絡程序。
net包中一個很常用的函數，名為Dial。這個函數主要用於連接網絡服務。它會接受兩個參數，你需要搞明白這兩個參數的值都應該怎么去設定。
尤其是network參數，它有很多的可選值，其中最常用的有 9 個。這些可選值的背后都代表着相應的 socket 屬性，包括通信域、類型以及使用的協議。一旦你理解了這些 socket 屬性，就一定會幫助你做出正確的判斷和選擇。
與此相關的一個函數是net.DialTimeout。我們在調用它的時候需要設定一個超時時間。這個超時時間的含義你是需要搞清楚的。
通過它，我們可以牽扯出這個函數的一大堆實現細節。另外，還有一個叫做net.Dialer的結構體類型。這個類型其實是前述兩個函數的底層實現，值得你好好地學習一番。
以上，就是我今天講的主要內容，它們都是關於怎樣訪問網絡服務的。你可以從這里入手，進入 Go 語言的網絡編程世界。
思考題
今天的思考題也與超時時間有關。在你調用了net.Dial等函數之后，如果成功就會得到一個代表了網絡連接的net.Conn接口類型的值。我的問題是：怎樣在net.Conn類型的值上正確地設定針對讀操作和寫操作的超時時間？
筆記源碼
https://github.com/MingsonZheng/go-core-demo
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