Golang Netpoll

kyden included in Netpoll Epoll Network Program Golang Linux

2024-05-08 2185 words 11 minutes

Contents

导语

深入剖析 Golang 网络编程之 Netpoll，主要涉及 Linux 环境下的 Epoll 初始化、 Go 网络编程基本流程（Listen、Accept、Read、Write）以及netpoll 执行流程

Golang 源码版本

本文所涉及的源码版本：v1.22.3

I. 基础概念

网络编程，是允许不同计算机上的程序通过网络通信的开发过程，涉及多种协议（HTTP、TCP/IP等）以及不同编程语言的应用。

同步、异步、并发模型

IO 模型	读写操作和阻塞阶段
阻塞 IO	程序阻塞于读写函数
IO 复用	程序阻塞于 IO 复用系统调用，但可同时监听多个 IO 事件；对 IO 本身的读写操作是非阻塞的
SIGIO 信号	信号触发读写就绪事件，用户程序执行读写操作；程序本身没有阻塞阶段
异步 IO	内核执行读写操作并触发读写完成事件；程序没有阻塞阶段

主要用于区分内核向应用程序通知的是何种 IO 事件（就绪事件 or 完成事件），以及由谁来完成 IO 读写（应用程序 or 内核）

IO模型中的同步

同步 IO 模型，指的是应用程序发起 IO 操作后，必须等待 IO 操作完成后才能继续执行后续的操作，即 IO 操作的结果需要立即返回给应用程序；在此期间，应用程序处于阻塞状态，无法做其他操作。
优点：编程模型简单
缺点：效率较低（应用程序的执行速度被 IO 操作所限制）

对于操作系统内核来说，同步 IO 操作是指在内核处理 IO 请求时需要等待

IO 模型中的异步

异步 IO 模型，指的是应用程序发起 IO 操作后，无须等待 IO 操作完成，可以立即进行后续的操作；在此期间，操作系统负责把 IO 操作的结果返回给应用程序；
优点：可以充分利用系统资源，提高 IO 操作的效率
缺点：编程模型相对复杂

对于操作系统内核来说，异步 IO 操作指的是，在内核处理 IO 请求时无需等待，立即返回

并发模式

并发模式，指的是 I/O 处理单元和多个逻辑单元之间协调完成任务的方法

Linux Epoll

epoll 在内核里使用红黑树(Red-black tree)来跟踪进程所有待检测的文件描述字 fd，把需要监控的 socket 通过 epoll_ctl() 函数加入内核中的红黑树里（红黑树是个高效的数据结构，增删改一般时间复杂度是 O(logn)）
epoll 使用事件驱动的机制，在内核里维护了一个链表(List)来记录就绪事件。当某个 socket 有事件发生时，内核通过回调函数将其加入到这个就绪事件列表中。当用户调用 epoll_wait() 函数时，只会返回有事件发生的文件描述符的个数，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合，大大提高了检测的效率
两种触发模式
- Level trigger：服务器端不断地从 epoll_wait 中苏醒，直到内核缓冲区数据被 read 函数读完才结束
- Edge trigger：服务器端只会从 epoll_wait 中苏醒一次
事件宏
- EPOLLIN 表示对应的文件描述符可读（包括对端 socket 正常关闭）
- EPOLLOUT 表示对应的文件描述符可写
- EPOLLPRI 表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（带外数据）
- EPOLLERR 表示对应的文件描述符发生错误
- EPOLLHUP 表示对应的文件描述符被挂断
- EPOLLET 将 EPOLL 设为边缘触发模式（默认电平触发）
- EPOLLONESHOT 只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个 socket 的话，需要再次把这个 socket 加入到内核中的事件注册表中

II. 应用示例

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package main

import "net"

func main() {
	l, _ := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:2333")

	for {
		conn, _ := l.Accept()

		go func() {
			defer conn.Close()

			buf := make([]byte, 4096)
			_, _ = conn.Read(buf)

			conn.Write(buf)
		}()
	}
}

III. 相关数据结构

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// src/net/fd_fake.go
// Network file descriptor.
type netFD struct {
	pfd poll.FD

	// immutable until Close
	family      int
	sotype      int
	isConnected bool // handshake completed or use of association with peer
	net         string
	laddr       Addr
	raddr       Addr

	// The only networking available in WASI preview 1 is the ability to
	// sock_accept on a pre-opened socket, and then fd_read, fd_write,
	// fd_close, and sock_shutdown on the resulting connection. We
	// intercept applicable netFD calls on this instance, and then pass
	// the remainder of the netFD calls to fakeNetFD.
	*fakeNetFD
}

// poll.FD`: `src/internal/poll/fd_unix.go
// FD is a file descriptor. The net and os packages use this type as a
// field of a larger type representing a network connection or OS file.
type FD struct {
	// Lock sysfd and serialize access to Read and Write methods.
	fdmu fdMutex

	// System file descriptor. Immutable until Close.
	Sysfd int

	// Platform dependent state of the file descriptor.
	SysFile

	// I/O poller.
	pd pollDesc

	// Semaphore signaled when file is closed.
	csema uint32

	// Non-zero if this file has been set to blocking mode.
	isBlocking uint32

	// Whether this is a streaming descriptor, as opposed to a
	// packet-based descriptor like a UDP socket. Immutable.
	IsStream bool

	// Whether a zero byte read indicates EOF. This is false for a
	// message based socket connection.
	ZeroReadIsEOF bool

	// Whether this is a file rather than a network socket.
	isFile bool
}

// Addr represents a network end point address.
//
// The two methods [Addr.Network] and [Addr.String] conventionally return strings
// that can be passed as the arguments to [Dial], but the exact form
// and meaning of the strings is up to the implementation.
type Addr interface {
	Network() string // name of the network (for example, "tcp", "udp")
	String() string  // string form of address (for example, "192.0.2.1:25", "[2001:db8::1]:80")
}

// fdMutex is a specialized synchronization primitive that manages
// lifetime of an fd and serializes access to Read, Write and Close
// methods on FD.
type fdMutex struct {
	state uint64
	rsema uint32
	wsema uint32
}

type SysFile struct {
	// Writev cache.
	iovecs *[]syscall.Iovec
}

type pollDesc struct {
	runtimeCtx uintptr
}

通过源码可以看到，Golang 网络编程涉及到的 netFD, poll.FD, Addr, SysFile 以及 pollDesc 之间的关系如下：

fdmu 是为了保证对同一个文件的读、写操作能分别被序列化
Sysfd 就是操作系统中 syscall 返回的 fd 值
pd，pollDesc I/O poller，是 Go 对 poll 过程的一个抽象，所有平台的抽象都是一样的
csema，当文件被关闭时会被触发
isBlocking 表明 FD 是否为 blocking 模式
IsStream 标志该 FD 是否是流式，与流式相反的是基于 packet 的，即 UDP socket
ZeroReadIsEOF，当连接读到 0 长度时，用来区分是否代表 EOF. 如果是基于 packet 的 socket 连接，则始终是 false
isFile 标志该 FD 是否代表文件，还是网络连接
netFD 结构中包含一个 poll.FD 类型的成员 pfd，以及 Addr 接口类型的 laddr 和 raddr
poll.FD 结构含有 SysFile 和 pollDesc 类型的成员，以及 fdMutex 类型的 fdmu

IV. TCP 网络编程基本流程

本部分涉及众多函数调用，为了描述清晰，采用了图的形式，其中，每一块第一行表示该块所表示的函数名称，其他部分表示该函数中关键函数调用。

创建 TCP socket 并监听: `net.Listen`

NOTE

需要注意的是，在执行 net.(*netFD).listenStream 之前，由于 maxListenerBacklog 函数调用了 open("/proc/sys/net/core/somaxconn")，则会导致 epoll 底层红黑树的提前创建: runtime.netpollinit -> syscall.EpollCreate1 -> Syscall6(SYS_EPOLL_CREATE1, uintptr(flags), 0, 0, 0, 0, 0).

另外，当启用 Timer 时，也存在提前初始化 netpoll 的可能，原因： Timers rely on the network poller

time.NewTimer -> runtime.startTimer -> runtime.addtimer -> runtime.doaddtimer -> netpollGenericInit()
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// doaddtimer adds t to the current P's heap.
// The caller must have locked the timers for pp.
func doaddtimer(pp *p, t *timer) {
	// Timers rely on the network poller, so make sure the poller
	// has started.
	if netpollInited.Load() == 0 {
		netpollGenericInit()
	}
  ...
}

获取 TCP 连接: `net.(*TCPListener).Accept`

TCP 连接读数据: `net.(*TCPConn).Read`

TCP 连接写数据: `net.(*TCPConn).Write`

V. netpoll 执行流程: `netpoll`

在调度和 GC 的关键点上都会检查一次 netpoll，确定是否存在 ready 状态的 FD：

startTheWorldWithSema

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// reason is the same STW reason passed to stopTheWorld. start is the start
// time returned by stopTheWorld.
//
// now is the current time; prefer to pass 0 to capture a fresh timestamp.
//
// stattTheWorldWithSema returns now.
func startTheWorldWithSema(now int64, w worldStop) int64 {
	assertWorldStopped()

	mp := acquirem() // disable preemption because it can be holding p in a local var
	if netpollinited() {
		list, delta := netpoll(0) // non-blocking
		injectglist(&list)
		netpollAdjustWaiters(delta)
	}
	lock(&sched.lock)

	procs := gomaxprocs
	if newprocs != 0 {
		procs = newprocs
		newprocs = 0
	}
	p1 := procresize(procs)
	sched.gcwaiting.Store(false)
	if sched.sysmonwait.Load() {
		sched.sysmonwait.Store(false)
		notewakeup(&sched.sysmonnote)
	}
	unlock(&sched.lock)

	worldStarted()
	...
}

findrunnable

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// Finds a runnable goroutine to execute.
// Tries to steal from other P's, get g from local or global queue, poll network.
// tryWakeP indicates that the returned goroutine is not normal (GC worker, trace
// reader) so the caller should try to wake a P.
func findRunnable() (gp *g, inheritTime, tryWakeP bool) {
	...
	// Poll network until next timer.
	if netpollinited() && (netpollAnyWaiters() || pollUntil != 0) && sched.lastpoll.Swap(0) != 0 {
		sched.pollUntil.Store(pollUntil)
		if mp.p != 0 {
			throw("findrunnable: netpoll with p")
		}
		if mp.spinning {
			throw("findrunnable: netpoll with spinning")
		}
		delay := int64(-1)
		if pollUntil != 0 {
			if now == 0 {
				now = nanotime()
			}
			delay = pollUntil - now
			if delay < 0 {
				delay = 0
			}
		}
		if faketime != 0 {
			// When using fake time, just poll.
			delay = 0
		}
		list, delta := netpoll(delay) // block until new work is available
		...
	}
	...
}

pollWork

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// pollWork reports whether there is non-background work this P could
// be doing. This is a fairly lightweight check to be used for
// background work loops, like idle GC. It checks a subset of the
// conditions checked by the actual scheduler.
func pollWork() bool {
	if sched.runqsize != 0 {
		return true
	}
	p := getg().m.p.ptr()
	if !runqempty(p) {
		return true
	}
	if netpollinited() && netpollAnyWaiters() && sched.lastpoll.Load() != 0 {
		if list, delta := netpoll(0); !list.empty() {
			injectglist(&list)
			netpollAdjustWaiters(delta)
			return true
		}
	}
	return false
}

sysmon

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// Always runs without a P, so write barriers are not allowed.
//
//go:nowritebarrierrec
func sysmon() {
	...
	lock(&sched.sysmonlock)
	// Update now in case we blocked on sysmonnote or spent a long time
	// blocked on schedlock or sysmonlock above.
	now = nanotime()

	// trigger libc interceptors if needed
	if *cgo_yield != nil {
		asmcgocall(*cgo_yield, nil)
	}
	// poll network if not polled for more than 10ms
	lastpoll := sched.lastpoll.Load()
	if netpollinited() && lastpoll != 0 && lastpoll+10*1000*1000 < now {
		sched.lastpoll.CompareAndSwap(lastpoll, now)
		list, delta := netpoll(0) // non-blocking - returns list of goroutines
		if !list.empty() {
			// Need to decrement number of idle locked M's
			// (pretending that one more is running) before injectglist.
			// Otherwise it can lead to the following situation:
			// injectglist grabs all P's but before it starts M's to run the P's,
			// another M returns from syscall, finishes running its G,
			// observes that there is no work to do and no other running M's
			// and reports deadlock.
			incidlelocked(-1)
			injectglist(&list)
			incidlelocked(1)
			netpollAdjustWaiters(delta)
		}
	}
	...
}

根据 ready 的事件时 Read 或 Write，分别从 poolDesc 的 rg、wg 上获取该唤醒的 goroutine. 然后将已经 ready 的 goroutine push 到 toRun 链表，并且 toRun 链表最终会从 netpoll() 返回，通过 injectglist 进入全局队列.

相当于每次调度循环都要执行 netpoll，检查频率还是比较高的

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// netpoll checks for ready network connections.
// Returns list of goroutines that become runnable.
// delay < 0: blocks indefinitely
// delay == 0: does not block, just polls
// delay > 0: block for up to that many nanoseconds
func netpoll(delay int64) (gList, int32) {
	if epfd == -1 {
		return gList{}, 0
	}
	var waitms int32
	if delay < 0 {
		waitms = -1
	} else if delay == 0 {
		waitms = 0
	} else if delay < 1e6 {
		waitms = 1
	} else if delay < 1e15 {
		waitms = int32(delay / 1e6)
	} else {
		// An arbitrary cap on how long to wait for a timer.
		// 1e9 ms == ~11.5 days.
		waitms = 1e9
	}
	var events [128]syscall.EpollEvent
retry:
	n, errno := syscall.EpollWait(epfd, events[:], int32(len(events)), waitms)
	if errno != 0 {
		if errno != _EINTR {
			println("runtime: epollwait on fd", epfd, "failed with", errno)
			throw("runtime: netpoll failed")
		}
		// If a timed sleep was interrupted, just return to
		// recalculate how long we should sleep now.
		if waitms > 0 {
			return gList{}, 0
		}
		goto retry
	}
	var toRun gList
	delta := int32(0)
	for i := int32(0); i < n; i++ {
		ev := events[i]
		if ev.Events == 0 {
			continue
		}

		if *(**uintptr)(unsafe.Pointer(&ev.Data)) == &netpollBreakRd {
			if ev.Events != syscall.EPOLLIN {
				println("runtime: netpoll: break fd ready for", ev.Events)
				throw("runtime: netpoll: break fd ready for something unexpected")
			}
			if delay != 0 {
				// netpollBreak could be picked up by a
				// nonblocking poll. Only read the byte
				// if blocking.
				var tmp [16]byte
				read(int32(netpollBreakRd), noescape(unsafe.Pointer(&tmp[0])), int32(len(tmp)))
				netpollWakeSig.Store(0)
			}
			continue
		}

		var mode int32
		if ev.Events&(syscall.EPOLLIN|syscall.EPOLLRDHUP|syscall.EPOLLHUP|syscall.EPOLLERR) != 0 {
			mode += 'r'
		}
		if ev.Events&(syscall.EPOLLOUT|syscall.EPOLLHUP|syscall.EPOLLERR) != 0 {
			mode += 'w'
		}
		if mode != 0 {
			tp := *(*taggedPointer)(unsafe.Pointer(&ev.Data))
			pd := (*pollDesc)(tp.pointer())
			tag := tp.tag()
			if pd.fdseq.Load() == tag {
				pd.setEventErr(ev.Events == syscall.EPOLLERR, tag)
				delta += netpollready(&toRun, pd, mode)
			}
		}
	}
	return toRun, delta
}

// netpollready is called by the platform-specific netpoll function.
// It declares that the fd associated with pd is ready for I/O.
// The toRun argument is used to build a list of goroutines to return
// from netpoll. The mode argument is 'r', 'w', or 'r'+'w' to indicate
// whether the fd is ready for reading or writing or both.
//
// This returns a delta to apply to netpollWaiters.
//
// This may run while the world is stopped, so write barriers are not allowed.
//
//go:nowritebarrier
func netpollready(toRun *gList, pd *pollDesc, mode int32) int32 {
	delta := int32(0)
	var rg, wg *g
	if mode == 'r' || mode == 'r'+'w' {
		rg = netpollunblock(pd, 'r', true, &delta)
	}
	if mode == 'w' || mode == 'r'+'w' {
		wg = netpollunblock(pd, 'w', true, &delta)
	}
	if rg != nil {
		toRun.push(rg)
	}
	if wg != nil {
		toRun.push(wg)
	}
	return delta
}

VI. 总结

Golang 通过对 Linux 内核提供的 epoll 实现进行封装，实现了同步编程异步执行的效果，其核心数据结构是 netFD，并将 Sysfd 与 pollDesc 结构绑定。当某个 netFD 产生 EAGAIN 错误时，则当前 Goroutine 将会被存储到其对应的 pollDesc 中，同时 Goroutine 会 gopark()，直至这个 netFD 再次发生读写事件，会将此 Goroutine 设置为 ready 并放入 toRun 队列等待重新运行，而底层事件通知机制就是 epoll.
Golang 中 netpoll 的创建与初始化的可能来源：Timer、读文件、TCP Listen.
如下的调度和 GC 关键函数 startTheWorldWithSema、findrunnable、pollWork、sysmon 都会进行 netpoll 执行流程，检查是否存在 ready 状态的 FD.

Contents

Golang Netpoll

I. 基础概念

同步、异步、并发模型

IO模型中的同步

IO 模型中的异步

并发模式

Linux Epoll

II. 应用示例

III. 相关数据结构

IV. TCP 网络编程基本流程

创建 TCP socket 并监听: net.Listen

获取 TCP 连接: net.(*TCPListener).Accept

TCP 连接读数据: net.(*TCPConn).Read

TCP 连接写数据: net.(*TCPConn).Write

V. netpoll 执行流程: netpoll

VI. 总结

VII. Reference

创建 TCP socket 并监听: `net.Listen`

获取 TCP 连接: `net.(*TCPListener).Accept`

TCP 连接读数据: `net.(*TCPConn).Read`

TCP 连接写数据: `net.(*TCPConn).Write`

V. netpoll 执行流程: `netpoll`