golang socket连接复用 - smux

今天来介绍一个socket连接复用的包

https://github.com/xtaci/smux

如图所示，多个channel输入通过smux合并在一个连接中，后端服务将连接中的channel分离出来进行处理

场景分析
假设一个简单的使用场景，一个apiservice网关服务对外提供HTTP接口，后面还有一个rand随机数服务，对内提供随机数TCP接口。

客户端访问apiservice接口，apiservice连接randservice服务获取数据并返回。如果不做多路复用的话，apiservice和randservice之间的连接数就是客户端请求数，这样apiservice和randservice之间连接过多会导致性能问题。

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|           <---------->             <----------->               |
|  client   <---------->  apiservice <----------->  randservice  |
|           <---------->             <----------->               |
+-----------+          +-------------+           +---------------+

经过多路复用后，apiservice和randservice之间只有一个连接，这样无论多少个客户端请求都不会导致连接过多问题。

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|           <---------->             |           |               |
|  client   <---------->  apiservice <----------->  randservice  |
|           <---------->             |           |               |
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（当然这只是个示例场景而已，生产中apiservice和randservice之间使用RPC框架即可，不用我们手动写socket通信）

代码示例
1.随机数服务 randservice.go

package main

import (
    "bytes"
    "encoding/binary"
    "fmt"
    "github.com/rs/zerolog"
    "github.com/rs/zerolog/log"
    "github.com/xtaci/smux"
    "math/rand"
    "net"
    "runtime"
    "time"
)

func init() {
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
}

/**
一个生成随机数的tcp服务
客户端发送'R', 'A', 'N', 'D'，服务返回一个随机数
*/
func main() {
    listener, err := net.Listen("tcp", ":9000")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    log.Info().Msg("随机数服务启动，监听9000端口")
    defer listener.Close()
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println(err.Error())
            continue
        }
        go SessionHandler(conn)
    }
}

/**
处理会话
每个tcp连接生成一个会话session
*/
func SessionHandler(conn net.Conn) {
    session, err := smux.Server(conn, nil)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    log.Info().Msgf("收到客户端连接，创建新会话，对端地址：%s", session.RemoteAddr().String())

    for !session.IsClosed() {
        stream, err := session.AcceptStream()
        if err != nil {
            fmt.Println(err.Error())
            break
        }
        go StreamHandler(stream)
    }
    log.Info().Msgf("客户端连接断开，销毁会话，对端地址：%s", session.RemoteAddr().String())
}

/**
流数据处理
*/
func StreamHandler(stream *smux.Stream) {
    buffer := make([]byte, 1024)
    n, err := stream.Read(buffer)
    if err != nil {
        log.Error().Msgf("流id：%d，异常信息：%s", stream.ID(), err.Error())
        stream.Close()
        return
    }
    cmd := buffer[:n]
    if bytes.Equal(cmd, []byte{'R', 'A', 'N', 'D'}) {
        rand := rand.Uint64()
        response := make([]byte, 8)
        binary.BigEndian.PutUint64(response, rand)
        stream.Write(response)
        log.Debug().Msgf("收到客户端数据，流id：%d，随机数：%d， 响应数据：%v", stream.ID(), rand, response)
    } else {
        log.Warn().Msgf("收到未知请求命令，流id：%d，请求命令：%v", stream.ID(), cmd)
    }
}

2.api接口服务 apiservice.go

package main

import (
    "encoding/binary"
    "fmt"
    "github.com/rs/zerolog"
    "github.com/rs/zerolog/log"
    "github.com/xtaci/smux"
    "net"
    "net/http"
    "runtime"
)

/**
随机数服务客户端连接
*/
var randClient *smux.Session

func init() {
    //连接后端随机数服务
    conn, err := net.Dial("tcp", ":9000")
    if err != nil {
        log.Warn().Msg("随机数服务未启动")
        panic(err)
    }
    session, err := smux.Client(conn, nil)
    if err != nil {
        log.Error().Msg("打开会话失败")
        panic(err)
    }
    randClient = session
}

/**
一个api网关，对外提供api接口
调用随机数服务来获取随机数
*/
func main() {
    defer randClient.Close()
    http.HandleFunc("/rand", RandHandler)
    http.ListenAndServe(":8080", nil)
}

/**
随机数接口
*/
func RandHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    stream, err := randClient.OpenStream()
    if err != nil {
        w.WriteHeader(500)
        fmt.Fprint(w, err.Error())
    } else {
        log.Debug().Msgf("收到请求，打开流成功，流id：%d", stream.ID())
        defer stream.Close()
        stream.Write([]byte{'R', 'A', 'N', 'D'})
        buffer := make([]byte, 1024)
        n, err := stream.Read(buffer)
        if err != nil {
            w.WriteHeader(500)
            fmt.Fprint(w, err.Error())
        } else {
            response := buffer[:n]
            var rand = binary.BigEndian.Uint64(response)
            log.Debug().Msgf("收到服务端数据，流id：%d，随机数：%d， 响应数据：%v", stream.ID(), rand, response)
            fmt.Fprintf(w, "%d", rand)
        }
    }
}

原理分析
smux将socket连接封装成session，每次请求响应封装成一个stream，通过自定义协议发送数据

VERSION(1B) | CMD(1B) | LENGTH(2B) | STREAMID(4B) | DATA(LENGTH)  

VALUES FOR LATEST VERSION:
VERSION:
    1/2

CMD:
    cmdSYN(0)
    cmdFIN(1)
    cmdPSH(2)
    cmdNOP(3)
    cmdUPD(4)   // only supported on version 2

STREAMID:
    client use odd numbers starts from 1
    server use even numbers starts from 0

cmdUPD:
    | CONSUMED(4B) | WINDOW(4B) |

比如我们发送的RAND命令封装成以下数据包发送给服务端，假设请求的STREAMID为11223344

VERSION(1B) | CMD(1B) | LENGTH(2B) | 11223344 | RAND
VERSION(1B) | CMD(1B) | LENGTH(2B) | 11223344 | 0102030405060708

扩展优化
但是这样又导致了另一个问题，由于apiservice和randservice之间只有一个连接，而这一个连接只能由一个goroutine处理，这样就导致性能低下
所以进一步扩展apiservice和randservice之间建立固定数量的连接，如10个连接，用来处理所有的请求，就是通过连接池的方式来性能最大化

改造后的示意图如下：

               n link                  10 link
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|           <---------->             <----------->               |
|  client   <---------->  apiservice <----------->  randservice  |
|           <---------->             <----------->               |
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连接池版代码 apiservicewithpool.go

package main

import (
    "context"
    "encoding/binary"
    "fmt"
    cpool "github.com/jolestar/go-commons-pool/v2"
    "github.com/rs/zerolog"
    "github.com/rs/zerolog/log"
    "github.com/xtaci/smux"
    "net"
    "net/http"
    "runtime"
)

var commonPool *cpool.ObjectPool
var ctx = context.Background()

func init() {
    factory := cpool.NewPooledObjectFactorySimple(NewSessionCpool)

    commonPool = cpool.NewObjectPoolWithDefaultConfig(ctx, factory)
    commonPool.Config.MaxTotal = 10
}

/**
连接池生成新会话函数
*/
func NewSessionCpool(ctx context.Context) (interface{}, error) {
    log.Debug().Msg("连接池中生成一个连接")
    //连接后端随机数服务
    conn, err := net.Dial("tcp", ":9000")
    if err != nil {
        log.Warn().Msg("随机数服务未启动")
        panic(err)
    }
    //随机数服务客户端连接
    session, err := smux.Client(conn, nil)
    if err != nil {
        log.Error().Msg("打开会话失败")
        panic(err)
    }
    return session, err
}

/**
一个api网关，对外提供api接口
调用随机数服务来获取随机数

通过sync.Pool实现“连接池” ！！！ 不推荐这种方式，sync.Pool的种种特性不适合作为连接池
*/
func main() {
    http.HandleFunc("/rand", CommonPoolRandHandler)
    http.ListenAndServe(":8080", nil)
}

/**
随机数接口
*/
func CommonPoolRandHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    obj, err := commonPool.BorrowObject(ctx)
    if err != nil {
        w.WriteHeader(500)
        fmt.Fprint(w, err.Error())
        return
    }
    client := obj.(*smux.Session)
    stream, err := client.OpenStream()
    if err != nil {
        w.WriteHeader(500)
        fmt.Fprint(w, err.Error())
    } else {
        log.Debug().Msgf("收到请求，打开流成功，流id：%d", stream.ID())
        defer stream.Close()
        stream.Write([]byte{'R', 'A', 'N', 'D'})
        buffer := make([]byte, 1024)
        n, err := stream.Read(buffer)
        if err != nil {
            w.WriteHeader(500)
            fmt.Fprint(w, err.Error())
        } else {
            response := buffer[:n]
            var rand = binary.BigEndian.Uint64(response)
            log.Debug().Msgf("收到服务端数据，流id：%d，随机数：%d， 响应数据：%v", stream.ID(), rand, response)
            fmt.Fprintf(w, "%d", rand)
        }
    }
    commonPool.ReturnObject(ctx, obj)
}

经过连接池改造后的模型就像MySQL或Redis的使用场景，每次请求相当于一个stream，多个stream共用一个session，一个session背后有一个socket连接，程序和MySQL或Redis之间创建多个session放入连接池中，每次请求从连接池中拿出session进行读写操作

golang socket连接复用 - smux

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