用Go实现TCP连接的双向拷贝

【导读】本文介绍了一种提升数据发送接收效率的方式。

最简单的实现

每次来一个Server的连接，就新开一个Client的连接。用一个goroutine从server拷贝到client，再用另外一个goroutine从client拷贝到server。任何一方断开连接，双向都断开连接。

func main() {
    runtime.GOMAXPROCS(1)
    listener, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:8848")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            panic(err)
        }
        go handle(conn.(*net.TCPConn))
    }
}

func handle(server *net.TCPConn) {
    defer server.Close()
    client, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8849")
    if err != nil {
        fmt.Print(err)
        return
    }
    defer client.Close()
    go func() {
        defer server.Close()
        defer client.Close()
        buf := make([]byte, 2048)
        io.CopyBuffer(server, client, buf)
    }()
    buf := make([]byte, 2048)
    io.CopyBuffer(client, server, buf)
}

一个值得注意的地方是io.Copy的默认buffer比较大，给一个小的buffer可以支持更多的并发连接。

这两个goroutine并序在一个退出之后，另外一个也退出。这个的实现是通过关闭server或者client的socket来实现的。因为socket被关闭了，io.CopyBuffer 就会退出。

Client端实现连接池

一个显而易见的问题是，每次Server的连接进来之后都需要临时去建立一个新的Client的端的连接。这样在代理的总耗时里就包括了一个tcp连接的握手时间。如果能够让Client端实现连接池复用已有连接的话，可以缩短端到端的延迟。

var pool = make(chan net.Conn, 100)

func borrow() (net.Conn, error) {
    select {
    case conn := <- pool:
        return conn, nil
    default:
        return net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8849")
    }
}

func release(conn net.Conn) error {
    select {
    case pool <- conn:
        // returned to pool
        return nil
    default:
        // pool is overflow
        return conn.Close()
    }
}

func handle(server *net.TCPConn) {
    defer server.Close()
    client, err := borrow()
    if err != nil {
        fmt.Print(err)
        return
    }
    defer release(client)
    go func() {
        defer server.Close()
        defer release(client)
        buf := make([]byte, 2048)
        io.CopyBuffer(server, client, buf)
    }()
    buf := make([]byte, 2048)
    io.CopyBuffer(client, server, buf)
}

这个版本的实现是显而易见有问题的。因为连接在归还到池里的时候并不能保证是还保持连接的状态。另外一个更严重的问题是，因为client的连接不再被关闭了，当server端关闭连接时，从client向server做io.CopyBuffer的goroutine就无法退出了。

所以，有以下几个问题要解决：

• 如何在一个goroutine时退出时另外一个goroutine也退出？
• 怎么保证归还给pool的连接是有效的？
• 怎么保持在pool中的连接仍然是一直有效的？

通过SetDeadline中断Goroutine

一个普遍的观点是Goroutine是无法被中断的。当一个Goroutine在做conn.Read时，这个协程就被阻塞在那里了。实际上并不是毫无办法的，我们可以通过conn.Close来中断Goroutine。但是在连接池的情况下，又无法Close链接。另外一种做法就是通过SetDeadline为一个过去的时间戳来中断当前正在进行的阻塞读或者阻塞写。

var pool = make(chan net.Conn, 100)

type client struct {
    conn net.Conn
    inUse *sync.WaitGroup
}

func borrow() (clt *client, err error) {
    var conn net.Conn
    select {
    case conn = <- pool:
    default:
        conn, err = net.Dial("tcp", "127.0.0.1:18849")
    }
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    clt = &client{
        conn: conn,
        inUse: &sync.WaitGroup{},
    }
    return
}

func release(clt *client) error {
    clt.conn.SetDeadline(time.Now().Add(-time.Second))
    clt.inUse.Done()
    clt.inUse.Wait()
    select {
    case pool <- clt.conn:
        // returned to pool
        return nil
    default:
        // pool is overflow
        return clt.conn.Close()
    }
}

func handle(server *net.TCPConn) {
    defer server.Close()
    clt, err := borrow()
    if err != nil {
        fmt.Print(err)
        return
    }
    clt.inUse.Add(1)
    defer release(clt)
    go func() {
        clt.inUse.Add(1)
        defer server.Close()
        defer release(clt)
        buf := make([]byte, 2048)
        io.CopyBuffer(server, clt.conn, buf)
    }()
    buf := make([]byte, 2048)
    io.CopyBuffer(clt.conn, server, buf)
}

通过SetDeadline实现了goroutine的中断，然后通过sync.WaitGroup来保证这些使用方都退出了之后再归还给连接池。否则一个连接被复用的时候，之前的使用方可能还没有退出。

连接有效性

为了保证在归还给pool之前，连接仍然是有效的。连接在被读写的过程中如果发现了error，我们就要标记这个连接是有问题的，会释放之后直接close掉。但是SetDeadline必然会导致读取或者写入的时候出现一次timeout的错误，所以还需要把timeout排除掉。

var pool = make(chan net.Conn, 100)

type client struct {
    conn net.Conn
    inUse *sync.WaitGroup
    isValid int32
}

const maybeValid = 0
const isValid = 1
const isInvalid = 2

func (clt *client) Read(b []byte) (n int, err error) {
    n, err = clt.conn.Read(b)
    if err != nil {
        if !isTimeoutError(err) {
            atomic.StoreInt32(&clt.isValid, isInvalid)
        }
    } else {
        atomic.StoreInt32(&clt.isValid, isValid)
    }
    return
}

func (clt *client) Write(b []byte) (n int, err error) {
    n, err = clt.conn.Write(b)
    if err != nil {
        if !isTimeoutError(err) {
            atomic.StoreInt32(&clt.isValid, isInvalid)
        }
    } else {
        atomic.StoreInt32(&clt.isValid, isValid)
    }
    return
}

type timeoutErr interface {
    Timeout() bool
}

func isTimeoutError(err error) bool {
    timeoutErr, _ := err.(timeoutErr)
    if timeoutErr == nil {
        return false
    }
    return timeoutErr.Timeout()
}

func borrow() (clt *client, err error) {
    var conn net.Conn
    select {
    case conn = <- pool:
    default:
        conn, err = net.Dial("tcp", "127.0.0.1:18849")
    }
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    clt = &client{
        conn: conn,
        inUse: &sync.WaitGroup{},
        isValid: maybeValid,
    }
    return
}

func release(clt *client) error {
    clt.conn.SetDeadline(time.Now().Add(-time.Second))
    clt.inUse.Done()
    clt.inUse.Wait()
    if clt.isValid == isValid {
        return clt.conn.Close()
    }
    select {
    case pool <- clt.conn:
        // returned to pool
        return nil
    default:
        // pool is overflow
        return clt.conn.Close()
    }
}

func handle(server *net.TCPConn) {
    defer server.Close()
    clt, err := borrow()
    if err != nil {
        fmt.Print(err)
        return
    }
    clt.inUse.Add(1)
    defer release(clt)
    go func() {
        clt.inUse.Add(1)
        defer server.Close()
        defer release(clt)
        buf := make([]byte, 2048)
        io.CopyBuffer(server, clt, buf)
    }()
    buf := make([]byte, 2048)
    io.CopyBuffer(clt, server, buf)
}

判断 error 是否是 timeout 需要类型强转来实现。

对于连接池里的conn是否仍然是有效的，如果用后台不断ping的方式来实现成本比较高。因为不同的协议要连接保持需要不同的ping的方式。一个最简单的办法就是下次用的时候试一下。如果连接不好用了，则改成新建一个连接，避免连续拿到无效的连接。通过这种方式把无效的连接给淘汰掉。