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6行代碼快速解決golang TCP粘包問題

前言

什么是TCP粘包問題以及為什么會產生TCP粘包，本文不加討論。本文使用golang的bufio.Scanner來實現自定義協議解包。

下面話不多說了，來一起看看詳細的介紹吧。

協議數據包定義

本文模擬一個日志服務器，該服務器接收客戶端傳到的數據包并顯示出來

type Package struct {
 Version  [2]byte // 協議版本，暫定V1
 Length   int16 // 數據部分長度
 Timestamp  int64 // 時間戳
 HostnameLength int16 // 主機名長度
 Hostname  []byte // 主機名
 TagLength  int16 // 標簽長度
 Tag   []byte // 標簽
 Msg   []byte // 日志數據
}

協議定義部分沒有什么好講的，根據具體的業務邏輯定義即可。

數據打包

由于TCP協議是語言無關的協議，所以直接把協議數據包結構體發送到TCP連接中也是不可能的，只能發送字節流數據，所以需要自己實現數據編碼。所幸golang提供了binary來幫助我們實現網絡字節編碼。

func (p *Package) Pack(writer io.Writer) error {
 var err error
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Version)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Length)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Timestamp)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.HostnameLength)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Hostname)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.TagLength)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Tag)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Msg)
 return err
}

Pack方法的輸出目標為io.Writer，有利于接口擴展，只要實現了該接口即可編碼數據寫入。binary.BigEndian是字節序，本文暫時不討論，有需要的讀者可以自行查找資料研究。

數據解包

解包需要將TCP數據包解析到結構體中，接下來會講為什么需要添加幾個數據無關的長度字段。

func (p *Package) Unpack(reader io.Reader) error {
 var err error
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Version)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Length)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Timestamp)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.HostnameLength)
 p.Hostname = make([]byte, p.HostnameLength)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Hostname)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.TagLength)
 p.Tag = make([]byte, p.TagLength)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Tag)
 p.Msg = make([]byte, p.Length-8-2-p.HostnameLength-2-p.TagLength)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Msg)
 return err
}

由于主機名、標簽這種數據是不固定長度的，所以需要兩個字節來標識數據長度，否則讀取的時候只知道一個總的數據長度是無法區分主機名、標簽名、日志數據的。

數據包的粘包問題解決

上文只是解決了編碼/解碼問題，前提是收到的數據包沒有產生粘包問題，解決粘包就是要正確分割字節流中的數據。一般有以下做法：

定長分隔(每個數據包最大為該長度) 缺點是數據不足時會浪費傳輸資源
特定字符分隔(如rn) 缺點是如果正文中有rn就會導致問題
在數據包中添加長度字段(本文采用的)

golang提供了bufio.Scanner來解決粘包問題。

scanner := bufio.NewScanner(reader) // reader為實現了io.Reader接口的對象，如net.Conn
scanner.Split(func(data []byte, atEOF bool) (advance int, token []byte, err error) {
 if !atEOF  data[0] == 'V' { // 由于我們定義的數據包頭最開始為兩個字節的版本號，所以只有以V開頭的數據包才處理
  if len(data) > 4 { // 如果收到的數據>4個字節(2字節版本號+2字節數據包長度)
   length := int16(0)
   binary.Read(bytes.NewReader(data[2:4]), binary.BigEndian, length) // 讀取數據包第3-4字節(int16)=>數據部分長度
   if int(length)+4 = len(data) { // 如果讀取到的數據正文長度+2字節版本號+2字節數據長度不超過讀到的數據(實際上就是成功完整的解析出了一個包)
    return int(length) + 4, data[:int(length)+4], nil
   }
  }
 }
 return
})
// 打印接收到的數據包
for scanner.Scan() {
 scannedPack := new(Package)
 scannedPack.Unpack(bytes.NewReader(scanner.Bytes()))
 log.Println(scannedPack)
}

本文的核心就在于scanner.Split方法，該方法用來解析TCP數據包

完整源碼

package main
import (
 "bufio"
 "bytes"
 "encoding/binary"
 "fmt"
 "io"
 "log"
 "os"
 "time"
)

type Package struct {
 Version  [2]byte // 協議版本
 Length   int16 // 數據部分長度
 Timestamp  int64 // 時間戳
 HostnameLength int16 // 主機名長度
 Hostname  []byte // 主機名
 TagLength  int16 // Tag長度
 Tag   []byte // Tag
 Msg   []byte // 數據部分長度
}

func (p *Package) Pack(writer io.Writer) error {
 var err error
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Version)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Length)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Timestamp)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.HostnameLength)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Hostname)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.TagLength)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Tag)
 err = binary.Write(writer, binary.BigEndian, p.Msg)
 return err
}
func (p *Package) Unpack(reader io.Reader) error {
 var err error
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Version)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Length)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Timestamp)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.HostnameLength)
 p.Hostname = make([]byte, p.HostnameLength)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Hostname)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.TagLength)
 p.Tag = make([]byte, p.TagLength)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Tag)
 p.Msg = make([]byte, p.Length-8-2-p.HostnameLength-2-p.TagLength)
 err = binary.Read(reader, binary.BigEndian, p.Msg)
 return err
}

func (p *Package) String() string {
 return fmt.Sprintf("version:%s length:%d timestamp:%d hostname:%s tag:%s msg:%s",
  p.Version,
  p.Length,
  p.Timestamp,
  p.Hostname,
  p.Tag,
  p.Msg,
 )
}

func main() {
 hostname, err := os.Hostname()
 if err != nil {
  log.Fatal(err)
 }

 pack := Package{
  Version:  [2]byte{'V', '1'},
  Timestamp:  time.Now().Unix(),
  HostnameLength: int16(len(hostname)),
  Hostname:  []byte(hostname),
  TagLength:  4,
  Tag:   []byte("demo"),
  Msg:   []byte(("現在時間是:" + time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"))),
 }
 pack.Length = 8 + 2 + pack.HostnameLength + 2 + pack.TagLength + int16(len(pack.Msg))

 buf := new(bytes.Buffer)
 // 寫入四次，模擬TCP粘包效果
 pack.Pack(buf)
 pack.Pack(buf)
 pack.Pack(buf)
 pack.Pack(buf)
 // scanner
 scanner := bufio.NewScanner(buf)
 scanner.Split(func(data []byte, atEOF bool) (advance int, token []byte, err error) {
  if !atEOF  data[0] == 'V' {
   if len(data) > 4 {
    length := int16(0)
    binary.Read(bytes.NewReader(data[2:4]), binary.BigEndian, length)
    if int(length)+4 = len(data) {
     return int(length) + 4, data[:int(length)+4], nil
    }
   }
  }
  return
 })
 for scanner.Scan() {
  scannedPack := new(Package)
  scannedPack.Unpack(bytes.NewReader(scanner.Bytes()))
  log.Println(scannedPack)
 }
 if err := scanner.Err(); err != nil {
  log.Fatal("無效數據包")
 }
}

寫在最后

golang作為一門強大的網絡編程語言，實現自定義協議是非常重要的，實際上實現自定義協議也不是很難，以下幾個步驟：