Go語言併發程式設計（三）
Telnet迴音伺服器
Telnet協議是TCP/IP協議族中的一種。它允許使用者（Telnet客戶端）通過一個協商過程與一個遠端裝置進行通訊。本例將使用一部分Telnet協議與伺服器進行通訊。
伺服器的網路庫為了完整展示自己的程式碼實現了完整的收發過程，一般比較傾向於使用傳送任意封包返回原資料的邏輯。這個過程類似於對著大山高喊，大山把你的聲音原樣返回的過程。也就是迴音（Echo）。本節使用Go語言中的socket、goroutine和通道編寫一個簡單的Telnet協議的迴音伺服器。
迴音伺服器的程式碼分為4個部分，分別是接受連線、會話處理、Telnet命令處理和程式入口。
1.接受連線
迴音伺服器能同時服務於多個連線。要接受連線就需要先建立偵聽器，偵聽器需要一個偵聽地址和協議型別。就像你想賣東西，需要先確認賣什麼東西，賣東西的型別就是協議型別，然後需要一個店面，店面位於街區的某個位置，這就是偵聽器的地址。一個伺服器可以開啟多個偵聽器，就像一個街區可以有多個店面。街區上的編號對應的就是地址中的埠號，如圖1-2所示。
圖1-2 IP和埠號
- 主機 IP：一般為一個 IP 地址或者域名，127.0.0.1 表示本機地址。
- 埠號：16 位無符號整型值，一共有 65536 個有效埠號。
通過地址和協議名建立偵聽器後，可以使用偵聽器響應客戶端連線。響應連線是一個不斷迴圈的過程，就像到銀行辦理業務時，一般是排隊處理，前一個人辦理完後，輪到下一個人辦理。
我們把每個客戶端連線處理業務的過程叫做會話。在會話中處理的操作和接受連線的業務並不衝突可以同時進行。就像銀行有 3 個視窗，喊號器會將使用者分配到不同的櫃檯。這裡的喊號器就是 Accept 操作，視窗的數量就是 CPU 的處理能力。因此，使用 goroutine 可以輕鬆實現會話處理和接受連線的併發執行。
如圖1-3清晰地展現了這一過程。
圖1-3 socket處理過程
Go語言中可以根據實際會話數量建立多個goroutine，並自動的排程它們的處理。
server.go
package main
import (
"fmt"
"net"
)
// 服務邏輯, 傳入地址和退出的通道
func server(address string, exitChan chan int) {
// 根據給定地址進行偵聽
l, err := net.Listen("tcp", address)
// 如果偵聽發生錯誤, 列印錯誤並退出
if err != nil {
fmt.Println(err.Error())
exitChan <- 1
}
// 列印偵聽地址, 表示偵聽成功
fmt.Println("listen: " + address)
// 延遲關閉偵聽器
defer l.Close()
// 偵聽迴圈
for {
// 新連線沒有到來時, Accept是阻塞的
conn, err := l.Accept()
// 發生任何的偵聽錯誤, 列印錯誤並退出伺服器
if err != nil {
fmt.Println(err.Error())
continue
}
// 根據連線開啟會話, 這個過程需要並行執行
go handleSession(conn, exitChan)
}
}
程式碼說明如下：
- 第9行，接受連線的入口，address為傳入的地址，退出伺服器使用exitChan的通道控制。往exitChan寫入一個整型值時，程序將以整型值作為程式返回值來結束伺服器。
- 第12行，使用net包的Listen()函式進行偵聽。這個函式需要提供兩個引數，第一個引數為協議型別，本例需要做的是TCP連線，因此填入“tcp”；address為地址，格式為“主機:埠號”。
- 第15行，如果偵聽發生錯誤，通過第17行，往exitChan中寫入非0值結束伺服器，同時列印偵聽錯誤。
- 第24行，使用defer，將偵聽器的結束延遲呼叫。
- 第27行，偵聽開始後，開始進行連線接受，每次接受連線後需要繼續接受新的連線，周而復始。
- 第30行，伺服器接受了一個連線。在沒有連線時，Accept()函式呼叫後會一直阻塞。連線到來時，返回conn和錯誤變數，conn的型別是*tcp.Conn。
- 第33行，某些情況下，連線接受會發生錯誤，不影響伺服器邏輯，這時重新進行新連線接受。
- 第39行，每個連線會生成一個會話。這個會話的處理與接受邏輯需要並行執行，彼此不干擾。
2.會話處理
每個連線的會話就是一個接收資料的迴圈。當沒有資料時，呼叫reader.ReadString會發生阻塞，等待資料的到來。一旦資料到來，就可以進行各種邏輯處理。
迴音伺服器的基本邏輯是“收到什麼返回什麼”，reader.ReadString可以一直讀取socket連線中的資料直到碰到期望的結尾符。這種期望的結尾符也叫定界符，一般用於將TCP封包中的邏輯資料拆分開。下例中使用的定界符是回車換行符（“\r\n”），HTTP協議也是使用同樣的定界符。使用reader.ReadString()函式可以將封包簡單地拆分開。
如圖1-4所示為Telnet資料處理過程。
圖1-4 Telnet資料處理過程
迴音伺服器需要將收到的有效資料通過socket傳送回去。
session.go
package main
import (
"bufio"
"fmt"
"net"
"strings"
)
// 連線的會話邏輯
func handleSession(conn net.Conn, exitChan chan int) {
fmt.Println("Session started:")
// 建立一個網路連線資料的讀取器
reader := bufio.NewReader(conn)
// 接收資料的迴圈
for {
// 讀取字串, 直到碰到回車返回
str, err := reader.ReadString('\n')
// 資料讀取正確
if err == nil {
// 去掉字串尾部的回車
str = strings.TrimSpace(str)
// 處理Telnet指令
if !processTelnetCommand(str, exitChan) {
conn.Close()
break
}
// Echo邏輯, 發什麼資料, 原樣返回
conn.Write([]byte(str + "\r\n"))
} else {
// 發生錯誤
fmt.Println("Session closed")
conn.Close()
break
}
}
}
程式碼說明如下：
- 第11行是會話入口，傳入連線和退出用的通道。handleSession()函式被併發執行。
- 第16行，使用bufio包的NewReader()方法，建立一個網路資料讀取器，這個Reader將輸入資料的讀取過程進行封裝，方便我們迅速獲取到需要的資料。
- 第19行，會話處理開始時，從socket連線，通過reader讀取器讀取封包，處理封包後需要繼續讀取從網路傳送過來的下一個封包，因此需要一個會話處理迴圈。
- 第22行，使用reader.ReadString()方法進行封包讀取。內部會自動處理粘包過程，直到下一個回車符到達後返回資料。這裡認為封包來自Telnet，每個指令以回車換行符（“\r\n”）結尾。
- 第25行，資料讀取正常時，返回err為nil。如果發生連線斷開、接收錯誤等網路錯誤時，err就不是nil了。
- 第28行，reader.ReadString讀取返回的字串尾部帶有回車符，使用strings.TrimSpace()函式將尾部帶的回車和空白符去掉。
- 第31行，將str字串傳入Telnet指令處理函式processTelnetCommand()中，同時傳入退出控制通道exitChan。當這個函式返回false時，表示需要關閉當前連線。
- 第32行和第33行，關閉當前連線並退出會話接受迴圈。
- 第37行，將有效資料通過conn的Write()方法寫入，同時在字串尾部添加回車換行符（“\r\n”），資料將被socket傳送給連線方。
- 第41～43行，處理當reader.ReadString()函式返回錯誤時，列印錯誤資訊並關閉連線，退出會話並接收迴圈。
3.Telnet命令處理
Telnet是一種協議。在作業系統中可以在命令列使用Telnet命令發起TCP連線。我們一般用Telnet來連線TCP伺服器，鍵盤輸入一行字元回車後，即被髮送到伺服器上。
在下例中，定義了以下兩個特殊控制指令，用以實現一些功能：
- 輸入“@close”退出當前連線會話。
- 輸入“@shutdown”終止伺服器執行。
Telnet命令處理：
telnet.go
package main
import (
"fmt"
"strings"
)
func processTelnetCommand(str string, exitChan chan int) bool {
// @close指令表示終止本次會話
if strings.HasPrefix(str, "@close") {
fmt.Println("Session closed")
// 告訴外部需要斷開連線
return false
// @shutdown指令表示終止服務程序
} else if strings.HasPrefix(str, "@shutdown") {
fmt.Println("Server shutdown")
// 往通道中寫入0, 阻塞等待接收方處理
exitChan <- 0
// 告訴外部需要斷開連線
return false
}
// 列印輸入的字串
fmt.Println(str)
return true
}
程式碼說明如下：
- 第8行，處理Telnet命令的函式入口，傳入有效字元並退出通道。
- 第11～16行，當輸入字串中包含“@close”字首時，在第16行返回false，表示需要關閉當前會話。
- 第19～27行，當輸入字串中包含“@shutdown”字首時，第24行將0寫入exitChan，表示結束伺服器。
- 第31行，沒有特殊的控制字元時，列印輸入的字串。
4.程式入口
Telnet迴音處理主流程：
main.go
package main
import (
"os"
)
func main() {
// 建立一個程式結束碼的通道
exitChan := make(chan int)
// 將伺服器併發執行
go server("127.0.0.1:7001", exitChan)
// 通道阻塞，等待接收返回值
code := <-exitChan
// 標記程式返回值，並退出
os.Exit(code)
}
程式碼說明如下：
- 第10行，建立一個整型的無緩衝通道作為退出訊號。
- 第13行，接受連線的過程可以併發操作，使用go將server()函式開啟goroutine。
- 第16行，從exitChan中取出返回值。如果取不到資料就一直阻塞。
- 第19行，將程式返回值傳入os.Exit()函式中並終止程式。
編譯所有程式碼並執行，命令列提示如下：
listen: 127.0.0.1:7001
此時，socket偵聽成功。在作業系統中的命令列中輸入：
telnet 127.0.0.1 7001
嘗試連線本地的7001埠。接下來進入測試伺服器的流程。
5.測試輸入字串
在Telnet連線後，輸入字串hello，Telnet命令列顯示如下：
$ telnet 127.0.0.1 7001 Trying 127.0.0.1... Connected to 127.0.0.1. Escape character is '^]'. hello hello
伺服器顯示如下：
listen: 127.0.0.1:7001 Session started: hello
客戶端輸入的字串會在伺服器中顯示，同時客戶端也會收到自己發給伺服器的內容，這就是一次迴音。
6.測試關閉會話
當輸入@close時，Telnet命令列顯示如下：
@close Connection closed by foreign host
伺服器顯示如下：
Session closed
此時，客戶端Telnet與伺服器斷開連線。
7.測試關閉伺服器
測試關閉伺服器
當輸入@shutdown時，Telnet命令列顯示如下：
@shutdown Connection closed by foreign host.
伺服器顯示如下：
Server shutdown
此時伺服器會自動關閉。