怎么使用Go建開發高負載WebSocket服務器

這篇文章主要介紹“怎么使用Go建開發高負載WebSocket服務器”，在日常操作中，相信很多人在怎么使用Go建開發高負載WebSocket服務器問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”怎么使用Go建開發高負載WebSocket服務器”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

實現方式

讓我們看看如何使用Go函數實現服務器的某些部分，而無需任何優化。

在進行net/http ，我們來談談我們如何發送和接收數據。 站在WebSocket協議(例如JSON對象) 之上的數據在下文中將被稱為分組 。

我們開始實現包含通過WebSocket連接發送和接收這些數據包的Channel結構。

channel 結構

// 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 }

注意這里有reader和writer連個goroutines。 每個goroutine都需要自己的內存棧， 根據操作系統和Go版本可能具有2到8  KB的初始大小。

在300萬個在線連接的時候，我們將需要24 GB的內存 (堆棧為4 KB)用于維持所有連接。  這還沒有計算為Channel結構分配的內存，傳出的數據包ch.send和其他內部字段消耗的內存。

I/O goroutines

我們來看看“reader”的實現：

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)     } }

這里我們使用bufio.Reader來減少read() syscalls的數量，并讀取與buf緩沖區大小一樣的數量。 在***循環中，我們期待新數據的到來。  請記住： 預計新數據將會來臨。 我們稍后會回來。

我們將離開傳入數據包的解析和處理，因為對我們將要討論的優化不重要。 但是， buf現在值得我們注意：默認情況下，它是4 KB，這意味著我們需要另外12  GB內存。 “writer”有類似的情況：

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()     } }

我們遍歷c.send ，并將它們寫入緩沖區。細心讀者已經猜到的，我們的300萬個連接還將消耗12 GB的內存。

HTTP

我們已經有一個簡單的Channel實現，現在我們需要一個WebSocket連接才能使用。

注意：如果您不知道WebSocket如何工作。客戶端通過稱為升級的特殊HTTP機制切換到WebSocket協議。  在成功處理升級請求后，服務器和客戶端使用TCP連接來交換二進制WebSocket幀。 這是連接中的框架結構的描述。

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

請注意， http.ResponseWriter為bufio.Reader和bufio.Writer (使用4  KB緩沖區)進行內存分配，用于*http.Request初始化和進一步的響應寫入。

無論使用什么WebSocket庫，在成功響應升級請求后， 服務器在responseWriter.Hijack()調用之后，連同TCP連接一起接收  I/O緩沖區。

提示：在某些情況下， go:linkname 可用于 通過調用 net/http.putBufio{Reader,Writer} 將緩沖區返回到  net/http 內 的 sync.Pool 。

因此，我們需要另外24 GB的內存來維持300萬個鏈接。

所以，我們的程序即使什么都沒做，也需要72G內存。

優化

我們來回顧介紹部分中談到的內容，并記住用戶連接的行為。 切換到WebSocket之后，客戶端發送一個包含相關事件的數據包，換句話說就是訂閱事件。  然后(不考慮諸如ping/pong等技術信息)，客戶端可能在整個連接壽***不發送任何其他信息。

連接壽命可能是幾秒到幾天。

所以在最多的時候，我們的Channel.reader()和Channel.writer()正在等待接收或發送數據的處理。 每個都有4  KB的I/O緩沖區。

現在很明顯，某些事情可以做得更好，不是嗎?

Netpoll

你還記得bufio.Reader.Read()內部，Channel.reader()實現了在沒有新數據的時候conn.read()會被鎖。如果連接中有數據，Go運行時“喚醒”我們的goroutine并允許它讀取下一個數據包。  之后，goroutine再次鎖定，期待新的數據。 讓我們看看Go運行時如何理解goroutine必須被“喚醒”。 如果我們看看conn.Read()實現  ，我們將在其中看到net.netFD.Read()調用 ：

// net/fd_unix.go  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在非阻塞模式下使用套接字。 EAGAIN表示，套接字中沒有數據，并且在從空套接字讀取時不會被鎖定，操作系統將控制權返還給我們。

我們從連接文件描述符中看到一個read()系統調用。 如果讀取返回EAGAIN錯誤 ，則運行時會使pollDesc.waitRead()調用 ：

// 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)    //... }

如果我們深入挖掘 ，我們將看到netpoll是使用Linux中的epoll和BSD中的kqueue來實現的。 為什么不使用相同的方法來進行連接?  我們可以分配一個讀緩沖區，只有在真正有必要時才使用goroutine：當套接字中有真實可讀的數據時。

在github.com/golang/go上， 導出netpoll函數有問題 。

擺脫goroutines

假設我們有Go的netpoll實現 。 現在我們可以避免使用內部緩沖區啟動Channel.reader()  goroutine，并在連接中訂閱可讀數據的事件：

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) }

使用Channel.writer()更容易，因為只有當我們要發送數據包時，我們才能運行goroutine并分配緩沖區：

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

請注意，當操作系統在 write() 系統調用時返回 EAGAIN 時，我們不處理這種情況 。 對于這種情況，我們傾向于Go運行時那樣處理。  如果需要，它可以以相同的方式來處理。

從ch.send (一個或幾個)讀出傳出的數據包后，writer將完成其操作并釋放goroutine棧和發送緩沖區。

***! 通過擺脫兩個連續運行的goroutine中的堆棧和I/O緩沖區，我們節省了48 GB 。

資源控制

大量的連接不僅涉及高內存消耗。  在開發服務器時，我們會經歷重復的競爭條件和死鎖，常常是所謂的自動DDoS，這種情況是當應用程序客戶端肆意嘗試連接到服務器，從而破壞服務器。

例如，如果由于某些原因我們突然無法處理ping/pong消息，但是空閑連接的處理程序會關閉這樣的連接(假設連接斷開，因此沒有提供數據)，客戶端會不斷嘗試連接，而不是等待事件。

如果鎖定或超載的服務器剛剛停止接受新連接，并且負載均衡器(例如，nginx)將請求都傳遞給下一個服務器實例，那壓力將是巨大的。

此外，無論服務器負載如何，如果所有客戶端突然想要以任何原因發送數據包(大概是由于錯誤原因)，則先前節省的48  GB將再次使用，因為我們將實際恢復到初始狀態goroutine和并對每個連接分配緩沖區。

Goroutine池

我們可以使用goroutine池來限制同時處理的數據包數量。 這是一個go routine池的簡單實現：

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     } }

現在我們的netpoll代碼如下：

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)     }) })

所以現在我們讀取數據包可以在池中使用了空閑的goroutine。

同樣，我們將更改Send() ：

pool := gopool.New(128)  func (ch *Channel) Send(p Packet) {     if c.noWriterYet() {         pool.Schedule(ch.writer)     }     ch.send <- p }

而不是go ch.writer() ，我們想寫一個重用的goroutine。 因此，對于N goroutines池，我們可以保證在N請求同時處理并且到達N  + 1我們不會分配N + 1緩沖區進行讀取。 goroutine池還允許我們限制新連接的Accept()和Upgrade()  ，并避免大多數情況下被DDoS打垮。

零拷貝升級

讓我們從WebSocket協議中偏離一點。 如前所述，客戶端使用HTTP升級請求切換到WebSocket協議。 協議是樣子：

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

也就是說，在我們的例子中，我們需要HTTP請求和header才能切換到WebSocket協議。  這個知識點和http.Request的內部實現表明我們可以做優化。我們會在處理HTTP請求時拋棄不必要的內存分配和復制，并放棄標準的net/http服務器。

例如， http.Request 包含一個具有相同名稱的頭文件類型的字段，它通過將數據從連接復制到值字符串而無條件填充所有請求頭。  想像一下這個字段中可以保留多少額外的數據，例如大型Cookie頭。

但是要做什么呢?

WebSocket實現

不幸的是，在我們的服務器優化時存在的所有庫都允許我們對標準的net/http服務器進行升級。 此外，所有庫都不能使用所有上述讀寫優化。  為使這些優化能夠正常工作，我們必須使用一個相當低級別的API來處理WebSocket。 要重用緩沖區，我們需要procotol函數看起來像這樣：

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

如果我們有一個這樣的API的庫，我們可以從連接中讀取數據包，如下所示(數據包寫入看起來差不多)：

// 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)     //... }

簡而言之，現在是制作我們自己庫的時候了。

github.com/gobwas/ws

為了避免將協議操作邏輯強加給用戶，我們編寫了WS庫。  所有讀寫方法都接受標準的io.Reader和io.Writer接口，可以使用或不使用緩沖或任何其他I/O包裝器。

除了來自標準net/http升級請求之外， ws支持零拷貝升級 ，升級請求的處理和切換到WebSocket，而無需內存分配或復制。  ws.Upgrade()接受io.ReadWriter ( net.Conn實現了這個接口)。  換句話說，我們可以使用標準的net.Listen()并將接收到的連接從ln.Accept()立即傳遞給ws.Upgrade() 。  該庫可以復制任何請求數據以供將來在應用程序中使用(例如， Cookie以驗證會話)。

以下是升級請求處理的基準 ：標準net/http服務器與net.Listen()加零拷貝升級：

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

切換到ws和零拷貝升級節省了另外24 GB內存 - 這是由net/http處理程序請求處理時為I/O緩沖區分配的空間。

概要

讓我們結合代碼告訴你我們做的優化。

• 讀取內部緩沖區的goroutine是非常昂貴的。 解決方案 ：netpoll(epoll，kqueue); 重用緩沖區。

• 寫入內部緩沖區的goroutine是非常昂貴的。 解決方案 ：必要時啟動goroutine; 重用緩沖區。

• DDOS，netpoll將無法工作。 解決方案 ：重新使用數量限制的goroutines。

• net/http不是處理升級到WebSocket的最快方法。 解決方案 ：在連接上使用零拷貝升級。

這就是服務器代碼的樣子：

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)     } }

到此，關于“怎么使用Go建開發高負載WebSocket服務器”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！