【開源】gnet: 一個輕量級且高性能、基於事件驅動的 Go 網絡庫

gnet 是一個基於事件驅動的高性能和輕量級網絡框架。它直接使用 epoll 和 kqueue 系統調用而非標準 Golang 網絡包：net 來構建網絡應用，它的工作原理類似兩個開源的網絡庫：netty 和 libuv。

這個項目存在的價值是提供一個在網絡包處理方面能和 Redis、Haproxy 這兩個項目具有相近性能的 Go 語言網絡服務器框架。

gnet 的亮點在於它是一個高性能、輕量級、非阻塞的純 Go 實現的傳輸層（TCP/UDP/Unix-Socket）網絡框架，開發者可以使用 gnet 來實現自己的應用層網絡協議，從而構建出自己的應用層網絡應用：比如在 gnet 上實現 HTTP 協議就可以創建出一個 HTTP 服務器 或者 Web 開發框架，實現 Redis 協議就可以創建出自己的 Redis 服務器等等。

gnet 衍生自另一個項目：evio，但性能遠勝之。

功能

• 高性能 的基於多線程/Go程模型的 event-loop 事件驅動
• 內置 Round-Robin 輪詢負載均衡算法
• 內置 goroutine 池，由開源庫 ants 提供支持
• 內置 bytes 內存池，由開源庫 pool 提供支持
• 簡潔的 APIs
• 基於 Ring-Buffer 的高效內存利用
• 支持多種網絡協議：TCP、UDP、Unix Sockets
• 支持兩種事件驅動機制：Linux 裏的 epoll 以及 FreeBSD 裏的 kqueue
• 支持異步寫操作
• 靈活的事件定時器
• SO_REUSEPORT 端口重用

核心設計

多線程/Go程模型

主從多 Reactors 模型

gnet 重新設計開發了一個新內置的多線程/Go程模型：『主從多 Reactors』，這也是 netty 默認的線程模型，下面是這個模型的原理圖：

它的運行流程如下面的時序圖：

主從多 Reactors + 線程/Go程池

你可能會問一個問題：如果我的業務邏輯是阻塞的，那麼在 EventHandler.React 註冊方法裏的邏輯也會阻塞，從而導致阻塞 event-loop 線程，這時候怎麼辦？

正如你所知，基於 gnet 編寫你的網絡服務器有一條最重要的原則：永遠不能讓你業務邏輯（一般寫在 EventHandler.React 裏）阻塞 event-loop 線程，否則的話將會極大地降低服務器的吞吐量，這也是 netty 的一條最重要的原則。

我的回答是，基於gnet 的另一種多線程/Go程模型：『帶線程/Go程池的主從多 Reactors』可以解決阻塞問題，這個新網絡模型通過引入一個 worker pool 來解決業務邏輯阻塞的問題：它會在啓動的時候初始化一個 worker pool，然後在把 EventHandler.React裏面的阻塞代碼放到 worker pool 裏執行，從而避免阻塞 event-loop 線程，

模型的架構圖如下所示：

它的運行流程如下面的時序圖：

gnet 通過利用 ants goroutine 池（一個基於 Go 開發的高性能的 goroutine 池 ，實現了對大規模 goroutines 的調度管理、goroutines 複用）來實現『主從多 Reactors + 線程/Go程池』網絡模型。關於 ants 的全部功能和使用，可以在 ants 文檔 裏找到。

gnet 內部集成了 ants 以及提供了 pool.NewWorkerPool 方法來初始化一個 ants goroutine 池，然後你可以把 EventHandler.React 中阻塞的業務邏輯提交到 goroutine 池裏執行，最後在 goroutine 池裏的代碼調用 gnet.Conn.AsyncWrite 方法把處理完阻塞邏輯之後得到的輸出數據異步寫回客戶端，這樣就可以避免阻塞 event-loop 線程。

有關在 gnet 裏使用 ants goroutine 池的細節可以到這裏進一步瞭解。

自動擴容的 Ring-Buffer

gnet 利用 Ring-Buffer 來緩衝網絡數據以及管理內存。

開始使用

安裝

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

使用示例

詳細的文檔在這裏: gnet 接口文檔，不過下面我們先來了解下使用 gnet 的簡略方法。

用 gnet 來構建網絡服務器是非常簡單的，只需要實現 gnet.EventHandler接口然後把你關心的事件函數註冊到裏面，最後把它連同監聽地址一起傳遞給 gnet.Serve 函數就完成了。在服務器開始工作之後，每一條到來的網絡連接會在各個事件之間傳遞，如果你想在某個事件中關閉某條連接或者關掉整個服務器的話，直接把 gnet.Action 設置成 Cosed 或者 Shutdown就行了。

Echo 服務器是一種最簡單網絡服務器，把它作爲 gnet 的入門例子在再合適不過了，下面是一個最簡單的 echo server，它監聽了 9000 端口：

不帶阻塞邏輯的 echo 服務器

package main

import (
    "log"

    "github.com/panjf2000/gnet"
)

type echoServer struct {
    *gnet.EventServer
}

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

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

正如你所見，上面的例子裏 gnet 實例只註冊了一個 EventHandler.React 事件。一般來說，主要的業務邏輯代碼會寫在這個事件方法裏，這個方法會在服務器接收到客戶端寫過來的數據之時被調用，然後處理輸入數據（這裏只是把數據 echo 回去）並且在處理完之後把需要輸出的數據賦值給 out 變量然後返回，之後你就不用管了，gnet 會幫你把數據寫回客戶端的。

帶阻塞邏輯的 echo 服務器

package main

import (
    "log"
    "time"

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

type echoServer struct {
    *gnet.EventServer
    pool *pool.WorkerPool
}

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

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

    return
}

func main() {
    p := pool.NewWorkerPool()
    defer p.Release()

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

正如我在『主從多 Reactors + 線程/Go程池』那一節所說的那樣，如果你的業務邏輯裏包含阻塞代碼，那麼你應該把這些阻塞代碼變成非阻塞的，比如通過把這部分代碼通過 goroutine 去運行，但是要注意一點，如果你的服務器處理的流量足夠的大，那麼這種做法將會導致創建大量的 goroutines 極大地消耗系統資源，所以我一般建議你用 goroutine pool 來做 goroutines 的複用和管理，以及節省系統資源。

更多的例子可以在這裏查看: gnet 示例。

I/O 事件

gnet 目前支持的 I/O 事件如下：

• EventHandler.OnInitComplete 當 server 初始化完成之後調用。
• EventHandler.OnOpened 當連接被打開的時候調用。
• EventHandler.OnClosed 當連接被關閉的時候調用。
• EventHandler.React 當 server 端接收到從 client 端發送來的數據的時候調用。（你的核心業務代碼一般是寫在這個方法裏）
• EventHandler.Tick 服務器啓動的時候會調用一次，之後就以給定的時間間隔定時調用一次，是一個定時器方法。
• EventHandler.PreWrite 預先寫數據方法，在 server 端寫數據回 client 端之前調用。

定時器

EventHandler.Tick 會每隔一段時間觸發一次，間隔時間你可以自己控制，設定返回的 delay 變量就行。

定時器的第一次觸發是在 gnet.Serving 事件之後，如果你要設置定時器，別忘了設置 option 選項：WithTicker(true)。

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

UDP 支持

gnet 支持 UDP 協議，在 gnet.Serve 裏綁定 UDP 地址即可，gnet 的 UDP 支持有如下的特性：

• 數據進入服務器之後立刻寫回客戶端，不做緩存。
• EventHandler.OnOpened 和 EventHandler.OnClosed 這兩個事件在 UDP 下不可用，唯一可用的事件是 React。

使用多核

gnet.WithMulticore(true) 參數指定了 gnet 是否會使用多核來進行服務，如果是 true 的話就會使用多核，否則就是單核運行，利用的核心數一般是機器的 CPU 數量。

負載均衡

gnet 目前內置的負載均衡算法是輪詢調度 Round-Robin，暫時不支持自定製。

SO_REUSEPORT 端口複用

服務器支持 SO_REUSEPORT 端口複用特性，允許多個 sockets 監聽同一個端口，然後內核會幫你做好負載均衡，每次只喚醒一個 socket 來處理 accept 請求，避免驚羣效應。

開啓這個功能也很簡單，使用 functional options 設置一下即可：

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

性能測試

同類型的網絡庫性能對比

Linux (epoll)

系統參數

# 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)

系統參數

# 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

證書

gnet 的源碼允許用戶在遵循 MIT 開源證書 規則的前提下使用。

致謝

• evio
• netty
• ants
• pool

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