Golang TCP网络编程

文章目录

网络编程介绍
TCP网络编程
- 服务器监听
- 客户端连接服务器
- 服务端获取连接
- 向连接中写入数据
- 从连接中读取数据
- 关闭连接/监听器
简易的TCP回声服务器
- 效果展示
- 服务端处理逻辑
- 客户端处理逻辑

网络编程介绍

网络编程介绍

网络编程是指通过计算机网络实现程序间通信的一种编程技术，涉及到在不同计算机之间建立连接、传输数据和协议解析等操作。
套接字（Socket）编程是网络编程的一种实现方式，其提供了一种机制，使得应用程序能够通过网络进行数据传输和通信。
Go中的net包是标准库中提供的网络编程包，是基于套接字编程的一种实现方式，提供了对TCP、UDP、IP、ICMP、Unix域套接字等常见网络协议的支持，通过net包可以完成创建套接字、建立连接、发送和接收数据等操作，实现网络通信。

TCP网络编程

服务器监听

服务器监听

在Go的net包中，Listen函数用于创建并返回一个网络监听器（Listener），以监听指定网络地址和端口上的连接请求。该函数的函数原型如下：

func Listen(network, address string) (Listener, error)

参数说明：

network：用于指定网络类型，其值必须是"tcp", “tcp4”, “tcp6”, “unix"或"unixpacket”。
address：用于指定需要被监听的IP地址和端口号，格式为"host:port"。

返回值说明：

第一个返回值：表示创建的网络监听器。
第二个返回值：如果创建网络监听器过程中出错，将返回非nil的错误值。

通过Listen函数创建得到的网络监听器是Listener类型的，该类型是一个接口类型，其定义如下：

type Listener interface {// Accept waits for and returns the next connection to the listener.Accept() (Conn, error)// Close closes the listener.// Any blocked Accept operations will be unblocked and return errors.Close() error// Addr returns the listener's network address.Addr() Addr
}

Listener接口中各方法说明：

Accept方法：从底层获取下一个已经建立好的连接给监听器。
Close方法：关闭监听器。
Addr方法：返回监听器对应的网络地址（由IP地址和端口号组成）。

当使用Listen函数创建TCP类型的监听器时，其返回的监听器底层具体的类型是TCPListener，其定义如下：

type TCPListener struct {fd *netFDlc ListenConfig
}

TCPListener结构体各字段说明：

fd：对底层网络文件描述符的封装，提供了对网络连接的读写和控制操作。
lc：用于配置监听器创建的行为，比如设置监听地址、控制网络参数等。

TCPListener结构体中的fd字段是netFD类型的，其定义如下：

type netFD struct {pfd poll.FD// immutable until Closefamily      intsotype      intisConnected bool // handshake completed or use of association with peernet         stringladdr       Addrraddr       Addr
}

netFD结构体各字段说明：

pfd：用于与底层的操作系统文件描述符进行交互。
family：表示套接字的协议家族，比如IPv4或IPv6。
sotype：表示套接字的类型，比如TCP或UDP
isConnected：表示连接是否已完成握手或与对方建立关联。
net：表示网络协议，比如"tcp"或"udp"。
laddr：表示本地网络连接的地址。
raddr：表示远程网络连接的地址。

服务器监听示例

服务器监听示例如下：

package mainimport ("fmt""net"
)func main() {// 服务器监听listen, err := net.Listen("tcp", "0.0.0.0:8081")if err != nil {fmt.Printf("listen error, err = %v\n", err)return}defer listen.Close()fmt.Println("listen success...")
}

说明一下：

服务器在创建监听套接字时，将其绑定到0.0.0.0（通常表示为INADDR_ANY）地址，这样服务器就可以同时监听和接受来自不同网络接口的连接请求，而不需要为每个接口分别创建监听套接字。
为了避免网络文件描述符资源泄露，在创建监听器后及时利用defer机制关闭监听器。监听器被关闭后会停止监听新的连接请求，并且任何被阻塞的Accept操作都会被解除阻塞并返回错误。

客户端连接服务器

客户端连接服务器

在Go的net包中，Dial函数用于客户端应用程序与远程服务器建立连接。该函数的函数原型如下：

func Dial(network, address string) (Conn, error)

参数说明：

network：用于指定网络协议，比如"tcp", "udp"等。
address：用于指定连接的目标地址。

返回值说明：

第一个返回值：表示建立的网络连接。
第二个返回值：如果建立网络连接过程中出错，将返回非nil的错误值。

通过Dial函数建立得到的连接Conn类型的，该类型是一个接口类型，其定义如下：

type Conn interface {// Read reads data from the connection.Read(b []byte) (n int, err error)// Write writes data to the connection.Write(b []byte) (n int, err error)// Close closes the connection.// Any blocked Read or Write operations will be unblocked and return errors.Close() error// LocalAddr returns the local network address, if known.LocalAddr() Addr// RemoteAddr returns the remote network address, if known.RemoteAddr() Addr// SetDeadline sets the read and write deadlines associated// with the connection. It is equivalent to calling both// SetReadDeadline and SetWriteDeadline.SetDeadline(t time.Time) error// SetReadDeadline sets the deadline for future Read calls// and any currently-blocked Read call.SetReadDeadline(t time.Time) error// SetWriteDeadline sets the deadline for future Write calls// and any currently-blocked Write call.SetWriteDeadline(t time.Time) error
}

Conn接口中各方法说明：

Read方法：从连接中读取数据。
Write方法：向连接中写入数据。
Close方法：关闭连接。
LocalAddr方法：返回连接对应的本地网络地址（由IP地址和端口号组成）。
RemoteAddr方法：返回连接对应的远程网络地址（由IP地址和端口号组成）。
SetDeadline方法：设置连接读取和写入的截止时间。
SetReadDeadline方法：设置连接读取的截止时间。
SetWriteDeadline方法：设置连接写入的截止时间。

当使用Dial函数与TCP服务器建立连接时，其返回的网络连接底层具体的类型是TCPConn，其定义如下：

type TCPConn struct {conn
}

TCPConn结构体中仅嵌套了一个conn类型的匿名结构体，其定义如下：

type conn struct {fd *netFD
}

可以看到，conn结构体中的fd字段与TCPListener结构体中的fd字段的类型相同，它们都是对底层网络文件描述符的封装，提供了对网络连接的读写和控制操作。

客户端连接服务器示例

客户端连接服务器示例如下：

package mainimport ("fmt""net"
)func main() {// 客户端连接服务器conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8081")if err != nil {fmt.Printf("connect server error, err = %v\n", err)return}defer conn.Close()fmt.Println("connect server success...")
}

说明一下：

当客户端连接TCP服务器时，服务器必须处于监听状态。
为了避免网络文件描述符资源泄露，客户端在与服务器建立连接后及时利用defer机制关闭连接。

服务端获取连接

服务端获取连接

在创建TCP网络监听器后，调用Listener接口的Accept方法，本质调用的是TCPListener的Accept方法，该方法用于从底层获取下一个已经建立好的连接给监听器，如果底层没有建立好的连接则会进行阻塞等待。该方法的原型如下：

func (l *TCPListener) Accept() (Conn, error)

返回值说明：

第一个返回值：表示获取到的与客户端建立好的连接。
第二个返回值：如果在获取连接过程中出错，将返回非nil的错误值。

服务端获取连接示例

服务端获取连接示例如下：

package mainimport ("fmt""net"
)func process(conn net.Conn) {defer conn.Close()fmt.Printf("handle a link %v...\n", conn.RemoteAddr())
}func main() {// 服务器监听listen, err := net.Listen("tcp", "0.0.0.0:8081")if err != nil {fmt.Printf("listen error, err = %v\n", err)return}defer listen.Close()fmt.Println("listen success...")for {fmt.Println("waiting client connect...")// 服务端获取连接conn, err := listen.Accept()if err != nil {fmt.Printf("accept error, err = %v\n", err)continue}fmt.Printf("get a link from %v...\n", conn.RemoteAddr())// 开启新协程为客户端提供服务go process(conn)}
}

说明一下：

网络监听器的任务就是不断调用Accept方法，从底层获取已经建立好的连接并为其提供服务，通常在获取到一个连接后会开启一个新协程为其提供服务，而主协程则继续调用Accept方法获取新的连接。
为了让新协程能够获取需要被处理的连接，需要将对应的连接通过参数传递的方式，传递给协程对应的处理函数。此外，为了避免网络文件描述符资源泄露，需要在处理函数中利用defer机制关闭连接，保证连接处理完毕后能够及时关闭连接。

向连接中写入数据

向连接中写入数据

在创建TCP连接后，调用Conn接口的Write方法，本质调用的是TCPConn的Write方法，该方法用于向连接中写入数据。该方法的原型如下：

func (c *TCPConn) Write(b []byte) (int, error)

参数说明：

b：表示要写入连接的数据。

返回值说明：

第一个返回值：表示实际写入的字节数。
第二个返回值：如果在写入数据过程中出错，将返回非nil的错误值。

从连接中读取数据

从连接中读取数据

在创建TCP连接后，调用Conn接口的Read方法，本质调用的是TCPConn的Read方法，该方法用于从连接中读取数据。该方法的原型如下：

func (c *TCPConn) Read(b []byte) (int, error)

参数说明：

b：输出型参数，用于存储读取到的数据。

返回值说明：

第一个返回值：表示实际读取的字节数。
第二个返回值：如果在读取数据过程中出错，将返回非nil的错误值。

关闭连接/监听器

关闭连接/监听器

为了避免网络文件描述符泄露，TCP网络监听器和TCP连接在使用完毕后都需要及时将其关闭，对应调用的分别是TCPListener和TCPConn的Close方法，这两个方法的原型如下：

func (l *TCPListener) Close() error
func (c *TCPConn) Close() error

返回值说明：

如果在关闭监听器或关闭连接过程中出错，将返回非nil的错误值。

简易的TCP回声服务器

效果展示

效果展示

为了演示使用net包实现网络通信，下面实现了一个简易的TCP回声服务器，其功能如下：

服务端能够同时处理多个客户端的连接请求，在为每个客户端提供服务时，能够将各个客户端发来的数据显示在服务端，同时将客户端发来的数据再发回给客户端。
客户端在连接到服务器后，能够不断从控制台读取用户输入的数据发送给服务端，并将服务端发来的数据显示在客户端，用户在控制台输入exit能够退出客户端。

最终效果如下：

在这里插入图片描述

服务端处理逻辑

服务端处理逻辑

服务端处理逻辑如下：

主协程调用Listen函数完成服务器的监听后，通过监听器不断调用Accept方法从底层获取已经建立好的连接，并为每一个获取到的连接创建一个新协程为其提供服务，而主协程则继续获取新的连接。
每个新协程在为其对应的连接提供服务时，通过调用连接的Read方法不断读取客户端发来的数据，将数据其显示在服务端，同时通过调用连接的Write方法将客户端发来的数据再发回给客户端。
每个新协程在为其对应的连接提供服务的过程中，如果从连接中读取数据或向连接中写入数据时出错，或是客户端退出，则通过调用连接的Close方法将对应的连接关闭。

服务端代码如下：

package mainimport ("fmt""io""net"
)func process(conn net.Conn) {defer conn.Close()data := make([]byte, 1024)for {// 1、读取客户端发来的数据n, err := conn.Read(data)if err != nil {if err == io.EOF {fmt.Printf("client %v quit\n", conn.RemoteAddr())} else {fmt.Printf("read client message error, err = %v\n", err)}return}fmt.Printf("client message[%v]: %v\n", conn.RemoteAddr(), string(data[:n]))// 2、发送数据给客户端len, err := conn.Write(data[:n])if err != nil || len != n {fmt.Printf("send back message error, err = %v\n", err)return}}
}func main() {// 服务器监听listen, err := net.Listen("tcp", "0.0.0.0:8081")if err != nil {fmt.Printf("listen error, err = %v\n", err)return}defer listen.Close()fmt.Println("listen success...")for {fmt.Println("waiting client connect...")// 服务端获取连接conn, err := listen.Accept()if err != nil {fmt.Printf("accept error, err = %v\n", err)continue}fmt.Printf("get a link from %v...\n", conn.RemoteAddr())// 开启新协程为客户端提供服务go process(conn)}
}

说明一下：

当服务端从某个连接中读取数据时，如果该连接对应的客户端已经将连接关闭，那么服务端的读操作将会返回io.EOF错误。

客户端处理逻辑

客户端处理逻辑

客户端处理逻辑如下：

客户端在调用Dial函数与服务端建立连接后，不断读取用户的输入，通过调用连接Write方法将用户输入的数据发送给服务端，然后通过调用连接的Read方法读取服务端发来的数据并显示在客户端，如果用户输入exit则调用连接的Close方法将连接关闭。

客户端代码如下：

package mainimport ("bufio""fmt""net""os"
)func main() {// 客户端连接服务器conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8081")if err != nil {fmt.Printf("connect server error, err = %v\n", err)return}defer conn.Close()fmt.Println("connect server success...")reader := bufio.NewReader(os.Stdin)data := make([]byte, 1024)for {// 1、读取用户输入str, err := reader.ReadString('\n')if err != nil {fmt.Printf("read input error, err = %v\n", err)continue}str = str[:len(str)-2] // 去掉\r\nif str == "exit" {fmt.Printf("exit success...")break}// 2、发送数据给服务端n, err := conn.Write([]byte(str))if err != nil || n != len(str) {fmt.Printf("send message error, err = %v\n", err)continue}fmt.Printf("send %d byte message to server...\n", n)// 3、读取服务端发来的数据n, err = conn.Read(data)if err != nil {fmt.Printf("read message error, err = %v\n", err)continue}fmt.Printf("server message: %v\n", string(data[:n]))}
}