在 Go 中实现一个支持并发的 TCP 服务端

May 22, 2022

仅用大约 65 行代码，开发一个用于生成随机数、支持并发的 TCP 服务端。

TCP 和 UDP 服务端随处可见，它们基于 TCP/IP 协议栈，通过网络为客户端提供服务。在这篇文章中，我将介绍如何使用 Go 语言开发一个用于返回随机数、支持并发的 TCP 服务端。对于每一个来自 TCP 客户端的连接，它都会启动一个新的 goroutine（轻量级线程）来处理相应的请求。

你可以在 GitHub 上找到本项目的源码：concTcp.go。

处理 TCP 连接

这个程序的主要逻辑在 handleConnection() 函数中，具体实现如下：

func handleConnection(c net.Conn) {
        fmt.Printf("Serving %s\n", c.RemoteAddr().String())
        for {
                netData, err := bufio.NewReader(c).ReadString('\n')
                if err != nil {
                        fmt.Println(err)
                        return
                }

                temp := strings.TrimSpace(string(netData))
                if temp == "STOP" {
                        break
                }

                result := strconv.Itoa(random()) + "\n"
                c.Write([]byte(string(result)))
        }
        c.Close()
}

如果 TCP 客户端发送了一个 “STOP” 字符串，为它提供服务的 goroutine 就会终止；否则，TCP 服务端就会返回一个随机数给它。只要客户端不主动终止，服务端就会一直提供服务，这是由 for 循环保证的。具体来说，for 循环中的代码使用了 bufio.NewReader(c).ReadString('\n') 来逐行读取客户端发来的数据，并使用 c.Write([]byte(string(result))) 来返回数据（生成的随机数）。你可以在 Go 的 net 标准包文档中了解更多。

支持并发

在 main() 函数的实现部分，每当 TCP 服务端收到 TCP 客户端的连接请求，它都会启动一个新的 goroutine 来为这个请求提供服务。

func main() {
        arguments := os.Args
        if len(arguments) == 1 {
                fmt.Println("Please provide a port number!")
                return
        }

        PORT := ":" + arguments[1]
        l, err := net.Listen("tcp4", PORT)
        if err != nil {
                fmt.Println(err)
                return
        }
        defer l.Close()
        rand.Seed(time.Now().Unix())

        for {
                c, err := l.Accept()
                if err != nil {
                        fmt.Println(err)
                        return
                }
                go handleConnection(c)
        }
}

首先，main() 确保程序至少有一个命令行参数。注意，现有代码并没有检查这个参数是否为有效的 TCP 端口号。不过，如果它是一个无效的 TCP 端口号，net.Listen() 就会调用失败，并返回一个错误信息，类似下面这样：

$ go run concTCP.go 12a
listen tcp4: lookup tcp4/12a: nodename nor servname provided, or not known
$ go run concTCP.go -10
listen tcp4: address -10: invalid port

net.Listen() 函数用于告诉 Go 接受网络连接，因而承担了服务端的角色。它的返回值类型是 net.Conn，后者实现了 io.Reader 和 io.Writer 接口。此外，main() 函数中还调用了 rand.Seed() 函数，用于初始化随机数生成器。最后，for 循环允许程序一直使用 Accept() 函数来接受 TCP 客户端的连接请求，并以 goroutine 的方式来运行 handleConnection(c) 函数，处理客户端的后续请求。

net.Listen() 的第一个参数

net.Listen() 函数的第一个参数定义了使用的网络类型，而第二个参数定义了服务端监听的地址和端口号。第一个参数的有效值为 tcp、tcp4、tcp6、udp、udp4、udp6、ip、ip4、ip6、Unix（Unix 套接字）、Unixgram 和 Unixpacket，其中：tcp4、udp4 和 ip4 只接受 IPv4 地址，而 tcp6、udp6 和 ip6 只接受 IPv6 地址。

服务端并发测试

concTCP.go 需要一个命令行参数，来指定监听的端口号。当它开始服务 TCP 客户端时，你会得到类似下面的输出：

$ go run concTCP.go 8001
Serving 127.0.0.1:62554
Serving 127.0.0.1:62556

netstat 的输出可以确认 congTCP.go 正在为多个 TCP 客户端提供服务，并且仍在继续监听建立连接的请求：

$ netstat -anp TCP | grep 8001
tcp4       0      0  127.0.0.1.8001         127.0.0.1.62556        ESTABLISHED
tcp4       0      0  127.0.0.1.62556        127.0.0.1.8001         ESTABLISHED
tcp4       0      0  127.0.0.1.8001         127.0.0.1.62554        ESTABLISHED
tcp4       0      0  127.0.0.1.62554        127.0.0.1.8001         ESTABLISHED
tcp4       0      0  *.8001                 *.*                    LISTEN

在上面输出中，最后一行显示了有一个进程正在监听 8001 端口，这意味着你可以继续连接 TCP 的 8001 端口。第一行和第二行显示了有一个已建立的 TCP 网络连接，它占用了 8001 和 62556 端口。相似地，第三行和第四行显示了有另一个已建立的 TCP 连接，它占用了 8001 和 62554 端口。

下面这张图片显示了 concTCP.go 在服务多个 TCP 客户端时的输出：

concTCP.go TCP 服务端测试