【Go】优雅的读取http请求或响应的数据

从 http.Request.Body 或 http.Response.Body 中读取数据方法或许很多，标准库中大多数使用 ioutil.ReadAll 方法一次读取所有数据，如果是 json 格式的数据还可以使用 json.NewDecoder 从 io.Reader 创建一个解析器，假使使用 pprof 来分析程序总是会发现 bytes.makeSlice 分配了大量内存，且总是排行第一，今天就这个问题来说一下如何高效优雅的读取 http 中的数据。

背景介绍

我们有许多 api 服务，全部采用 json 数据格式，请求体就是整个 json 字符串，当一个请求到服务端会经过一些业务处理，然后再请求后面更多的服务，所有的服务之间都用 http 协议来通信(啊， 为啥不用 RPC，因为所有的服务都会对第三方开放，http + json 更好对接)，大多数请求数据大小在 1K4K，响应的数据在 1K8K，早期所有的服务都使用 ioutil.ReadAll 来读取数据，随着流量增加使用 pprof 来分析发现 bytes.makeSlice 总是排在第一，并且占用了整个程序 1/10 的内存分配，我决定针对这个问题进行优化，下面是整个优化过程的记录。

pprof 分析

这里使用 https://github.com/thinkeridea/go-extend/blob/master/exnet/exhttp/expprof/pprof.go 中的 API 来实现生产环境的 /debug/pprof 监测接口，没有使用标准库的 net/http/pprof 包因为会自动注册路由，且长期开放 API，这个包可以设定 API 是否开放，并在规定时间后自动关闭接口，避免存在工具嗅探。

服务部署上线稳定后(大约过了一天半)，通过 curl 下载 allocs 数据，然后使用下面的命令查看分析。

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$ go tool pprof allocs
File: xxx
Type: alloc_space
Time: Jan 25, 2019 at 3:02pm (CST)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof) top
Showing nodes accounting for 604.62GB, 44.50% of 1358.61GB total
Dropped 776 nodes (cum <= 6.79GB)
Showing top 10 nodes out of 155
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
  111.40GB  8.20%  8.20%   111.40GB  8.20%  bytes.makeSlice
  107.72GB  7.93% 16.13%   107.72GB  7.93%  github.com/sirupsen/logrus.(*Entry).WithFields
   65.94GB  4.85% 20.98%    65.94GB  4.85%  strings.Replace
   54.10GB  3.98% 24.96%    56.03GB  4.12%  github.com/json-iterator/go.(*frozenConfig).Marshal
   47.54GB  3.50% 28.46%    47.54GB  3.50%  net/url.unescape
   47.11GB  3.47% 31.93%    48.16GB  3.55%  github.com/json-iterator/go.(*Iterator).readStringSlowPath
   46.63GB  3.43% 35.36%   103.04GB  7.58%  handlers.(*AdserviceHandler).returnAd
   42.43GB  3.12% 38.49%    84.62GB  6.23%  models.LogItemsToBytes
   42.22GB  3.11% 41.59%    42.22GB  3.11%  strings.Join
   39.52GB  2.91% 44.50%    87.06GB  6.41%  net/url.parseQuery

从结果中可以看出采集期间一共分配了 1358.61GB top 10 占用了 44.50% 其中 bytes.makeSlice 占了接近 1/10，那么看看都是谁在调用 bytes.makeSlice 吧。

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(pprof) web bytes.makeSlice

image-1

从上图可以看出调用 bytes.makeSlice 的最终方法是 ioutil.ReadAll, (受篇幅影响就没有截取 ioutil.ReadAll 上面的方法了)，而 90% 都是 ioutil.ReadAll 读取 http 数据调用，找到地方先别急想优化方案，先看看为啥 ioutil.ReadAll 会导致这么多内存分配。

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func readAll(r io.Reader, capacity int64) (b []byte, err error) {
	var buf bytes.Buffer
	// If the buffer overflows, we will get bytes.ErrTooLarge.
	// Return that as an error. Any other panic remains.
	defer func() {
		e := recover()
		if e == nil {
			return
		}
		if panicErr, ok := e.(error); ok && panicErr == bytes.ErrTooLarge {
			err = panicErr
		} else {
			panic(e)
		}
	}()
	if int64(int(capacity)) == capacity {
		buf.Grow(int(capacity))
	}
	_, err = buf.ReadFrom(r)
	return buf.Bytes(), err
}

func ReadAll(r io.Reader) ([]byte, error) {
	return readAll(r, bytes.MinRead)
}

以上是标准库 ioutil.ReadAll 的代码，每次会创建一个 var buf bytes.Buffer 并且初始化 buf.Grow(int(capacity)) 的大小为 bytes.MinRead, 这个值呢就是 512，按这个 buffer 的大小读取一次数据需要分配 2~16 次内存，天啊简直不能忍，我自己创建一个 buffer 好不好。

看一下火焰图🔥吧，其中红框标记的就是 ioutil.ReadAll 的部分，颜色比较鲜艳。

image-2

优化读取方法

自己创建足够大的 buffer 减少因为容量不够导致的多次扩容问题。

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buffer := bytes.NewBuffer(make([]byte, 4096))
_, err := io.Copy(buffer, request.Body)
if err !=nil{
    return nil, err
}

恩恩这样应该差不多了，为啥是初始化 4096 的大小，这是个均值，即使比 4096 大基本也就多分配一次内存即可，而且大多数数据都是比 4096 小的。

但是这样真的就算好了吗，当然不能这样，这个 buffer 个每请求都要创建一次，是不是应该考虑一下复用呢，使用 sync.Pool 建立一个缓冲池效果就更好了。

以下是优化读取请求的简化代码：

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package adapter

import (
	"bytes"
	"io"
	"net/http"
	"sync"

	"github.com/json-iterator/go"
	"github.com/sirupsen/logrus"
	"github.com/thinkeridea/go-extend/exbytes"
)

type Adapter struct {
	pool sync.Pool
}

func New() *Adapter {
	return &Adapter{
		pool: sync.Pool{
			New: func() interface{} {
				return bytes.NewBuffer(make([]byte, 4096))
			},
		},
	}
}

func (api *Adapter) GetRequest(r *http.Request) (*Request, error) {
	buffer := api.pool.Get().(*bytes.Buffer)
	buffer.Reset()
	defer func() {
		if buffer != nil {
			api.pool.Put(buffer)
			buffer = nil
		}
	}()

	_, err := io.Copy(buffer, r.Body)
	if err != nil {
		return nil, err
	}

	request := &Request{}
	if err = jsoniter.Unmarshal(buffer.Bytes(), request); err != nil {
		logrus.WithFields(logrus.Fields{
			"json": exbytes.ToString(buffer.Bytes()),
		}).Errorf("jsoniter.UnmarshalJSON fail. error:%v", err)
		return nil, err
	}
	api.pool.Put(buffer)
	buffer = nil

	// ....
	
	return request, nil
}

使用 sync.Pool 的方式是不是有点怪，主要是 defer 和 api.pool.Put(buffer)；buffer = nil 这里解释一下，为了提高 buufer 的复用率会在不使用时尽快把 buffer 放回到缓冲池中，defer 之所以会判断 buffer != nil 主要是在业务逻辑出现错误时，但是 buffer 还没有放回缓冲池时把 buffer 放回到缓冲池，因为在每个错误处理之后都写 api.pool.Put(buffer) 不是一个好的方法，而且容易忘记，但是如果在确定不再使用时 api.pool.Put(buffer)；buffer = nil 就可以尽早把 buffer 放回到缓冲池中，提高复用率，减少新建 buffer。

这样就好了吗，别急，之前说服务里面还会构建请求，看看构建请求如何优化吧。

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package adapter

import (
	"bytes"
	"fmt"
	"io"
	"io/ioutil"
	"net/http"
	"sync"

	"github.com/json-iterator/go"
	"github.com/sirupsen/logrus"
	"github.com/thinkeridea/go-extend/exbytes"
)

type Adapter struct {
	pool sync.Pool
}

func New() *Adapter {
	return &Adapter{
		pool: sync.Pool{
			New: func() interface{} {
				return bytes.NewBuffer(make([]byte, 4096))
			},
		},
	}
}

func (api *Adapter) Request(r *Request) (*Response, error) {
	var err error
	buffer := api.pool.Get().(*bytes.Buffer)
	buffer.Reset()
	defer func() {
		if buffer != nil {
			api.pool.Put(buffer)
			buffer = nil
		}
	}()

	e := jsoniter.NewEncoder(buffer)
	err = e.Encode(r)
	if err != nil {
		logrus.WithFields(logrus.Fields{
			"request": r,
		}).Errorf("jsoniter.Marshal failure: %v", err)
		return nil, fmt.Errorf("jsoniter.Marshal failure: %v", err)
	}

	data := buffer.Bytes()
	req, err := http.NewRequest("POST", "http://xxx.com", buffer)
	if err != nil {
		logrus.WithFields(logrus.Fields{
			"data": exbytes.ToString(data),
		}).Errorf("http.NewRequest failed: %v", err)
		return nil, fmt.Errorf("http.NewRequest failed: %v", err)
	}

	req.Header.Set("User-Agent", "xxx")

	httpResponse, err := http.DefaultClient.Do(req)
	if httpResponse != nil {
		defer func() {
			io.Copy(ioutil.Discard, httpResponse.Body)
			httpResponse.Body.Close()
		}()
	}

	if err != nil {
		logrus.WithFields(logrus.Fields{
			"url": "http://xxx.com",
		}).Errorf("query service failed %v", err)
		return nil, fmt.Errorf("query service failed %v", err)
	}

	if httpResponse.StatusCode != 200 {
		logrus.WithFields(logrus.Fields{
			"url":         "http://xxx.com",
			"status":      httpResponse.Status,
			"status_code": httpResponse.StatusCode,
		}).Errorf("invalid http status code")
		return nil, fmt.Errorf("invalid http status code")
	}

	buffer.Reset()
	_, err = io.Copy(buffer, httpResponse.Body)
	if err != nil {
		return nil, fmt.Errorf("adapter io.copy failure error:%v", err)
	}

	respData := buffer.Bytes()
	logrus.WithFields(logrus.Fields{
		"response_json": exbytes.ToString(respData),
	}).Debug("response json")

	res := &Response{}
	err = jsoniter.Unmarshal(respData, res)
	if err != nil {
		logrus.WithFields(logrus.Fields{
			"data": exbytes.ToString(respData),
			"url":  "http://xxx.com",
		}).Errorf("adapter jsoniter.Unmarshal failed, error:%v", err)
		return nil, fmt.Errorf("adapter jsoniter.Unmarshal failed, error:%v", err)
	}
	
	api.pool.Put(buffer)
	buffer = nil

	// ...
	return res, nil
}

这个示例和之前差不多，只是不仅用来读取 http.Response.Body 还用来创建一个 jsoniter.NewEncoder 用来把请求压缩成 json 字符串，并且作为 http.NewRequest 的 body 参数， 如果直接用 jsoniter.Marshal 同样会创建很多次内存，jsoniter 也使用 buffer 做为缓冲区，并且默认大小为 512, 代码如下：

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func (cfg Config) Froze() API {
	api := &frozenConfig{
		sortMapKeys:                   cfg.SortMapKeys,
		indentionStep:                 cfg.IndentionStep,
		objectFieldMustBeSimpleString: cfg.ObjectFieldMustBeSimpleString,
		onlyTaggedField:               cfg.OnlyTaggedField,
		disallowUnknownFields:         cfg.DisallowUnknownFields,
	}
	api.streamPool = &sync.Pool{
		New: func() interface{} {
			return NewStream(api, nil, 512)
		},
	}
	// .....
	return api
}

而且序列化之后会进行一次数据拷贝：

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func (cfg *frozenConfig) Marshal(v interface{}) ([]byte, error) {
	stream := cfg.BorrowStream(nil)
	defer cfg.ReturnStream(stream)
	stream.WriteVal(v)
	if stream.Error != nil {
		return nil, stream.Error
	}
	result := stream.Buffer()
	copied := make([]byte, len(result))
	copy(copied, result)
	return copied, nil
}

既然要用 buffer 那就一起吧^_^，这样可以减少多次内存分配，下读取 http.Response.Body 之前一定要记得 buffer.Reset()， 这样基本就已经完成了 http.Request.Body 和 http.Response.Body 的数据读取优化了，具体效果等上线跑一段时间稳定之后来查看吧。

效果分析

上线跑了一天，来看看效果吧

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$ go tool pprof allocs2
File: connect_server
Type: alloc_space
Time: Jan 26, 2019 at 10:27am (CST)
Entering interactive mode (type "help" for commands, "o" for options)
(pprof) top
Showing nodes accounting for 295.40GB, 40.62% of 727.32GB total
Dropped 738 nodes (cum <= 3.64GB)
Showing top 10 nodes out of 174
      flat  flat%   sum%        cum   cum%
   73.52GB 10.11% 10.11%    73.52GB 10.11%  git.tvblack.com/tvblack/connect_server/vendor/github.com/sirupsen/logrus.(*Entry).WithFields
   31.70GB  4.36% 14.47%    31.70GB  4.36%  net/url.unescape
   27.49GB  3.78% 18.25%    54.87GB  7.54%  git.tvblack.com/tvblack/connect_server/models.LogItemsToBytes
   27.41GB  3.77% 22.01%    27.41GB  3.77%  strings.Join
   25.04GB  3.44% 25.46%    25.04GB  3.44%  bufio.NewWriterSize
   24.81GB  3.41% 28.87%    24.81GB  3.41%  bufio.NewReaderSize
   23.91GB  3.29% 32.15%    23.91GB  3.29%  regexp.(*bitState).reset
   23.06GB  3.17% 35.32%    23.06GB  3.17%  math/big.nat.make
   19.90GB  2.74% 38.06%    20.35GB  2.80%  git.tvblack.com/tvblack/connect_server/vendor/github.com/json-iterator/go.(*Iterator).readStringSlowPath
   18.58GB  2.56% 40.62%    19.12GB  2.63%  net/textproto.(*Reader).ReadMIMEHeader

哇塞 bytes.makeSlice 终于从前十中消失了，真的太棒了，还是看看 bytes.makeSlice 的其它调用情况吧。

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(pprof) web bytes.makeSlice

image-3

从图中可以发现 bytes.makeSlice 的分配已经很小了， 且大多数是 http.Request.ParseForm 读取 http.Request.Body 使用 ioutil.ReadAll 原因，这次优化的效果非常的好。

看一下更直观的火焰图🔥吧，和优化前对比一下很明显 ioutil.ReadAll 看不到了

image-4

优化期间遇到的问题

比较惭愧在优化的过程出现了一个过失，导致生产环境2分钟故障，通过自动部署立即回滚才得以快速恢复，之后分析代码解决之后上线才完美优化，下面总结一下出现的问题吧。

在构建 http 请求时我分了两个部分优化，序列化 json 和读取 http.Response.Body 数据，保持一个观点就是尽早把 buffer 放回到缓冲池，因为 http.DefaultClient.Do(req) 是网络请求会相对耗时，在这个之前我把 buffer 放回到缓冲池中，之后读取 http.Response.Body 时在重新获取一个 buffer，大概代码如下：

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package adapter

import (
	"bytes"
	"fmt"
	"io"
	"io/ioutil"
	"net/http"
	"sync"

	"github.com/json-iterator/go"
	"github.com/sirupsen/logrus"
	"github.com/thinkeridea/go-extend/exbytes"
)

type Adapter struct {
	pool sync.Pool
}

func New() *Adapter {
	return &Adapter{
		pool: sync.Pool{
			New: func() interface{} {
				return bytes.NewBuffer(make([]byte, 4096))
			},
		},
	}
}

func (api *Adapter) Request(r *Request) (*Response, error) {
	var err error
	buffer := api.pool.Get().(*bytes.Buffer)
	buffer.Reset()
	defer func() {
		if buffer != nil {
			api.pool.Put(buffer)
			buffer = nil
		}
	}()

	e := jsoniter.NewEncoder(buffer)
	err = e.Encode(r)
	if err != nil {
		return nil, fmt.Errorf("jsoniter.Marshal failure: %v", err)
	}

	data := buffer.Bytes()
	req, err := http.NewRequest("POST", "http://xxx.com", buffer)
	if err != nil {
		return nil, fmt.Errorf("http.NewRequest failed: %v", err)
	}

	req.Header.Set("User-Agent", "xxx")

	api.pool.Put(buffer)
	buffer = nil
	
	httpResponse, err := http.DefaultClient.Do(req)
	
	
	// ....

	buffer = api.pool.Get().(*bytes.Buffer)
	buffer.Reset()
	defer func() {
		if buffer != nil {
			api.pool.Put(buffer)
			buffer = nil
		}
	}()
	_, err = io.Copy(buffer, httpResponse.Body)
	if err != nil {
		return nil, fmt.Errorf("adapter io.copy failure error:%v", err)
	}

	// ....
	
	api.pool.Put(buffer)
	buffer = nil

	// ...
	return res, nil
}

上线之后马上发生了错误 http: ContentLength=2090 with Body length 0 发送请求的时候从 buffer 读取数据发现数据不见了或者数据不够了，我去这是什么鬼，马上回滚恢复业务，然后分析 http.DefaultClient.Do(req) 和 http.NewRequest，在调用 http.NewRequest 是并没有从 buffer 读取数据，而只是创建了一个 req.GetBody 之后在 http.DefaultClient.Do 是才读取数据，因为在 http.DefaultClient.Do 之前把 buffer 放回到缓冲池中，其它 goroutine 获取到 buffer 并进行 Reset 就发生了数据争用，当然会导致数据读取不完整了，真实汗颜，对 http.Client 了解太少，争取有空撸一遍源码。

总结

使用合适大小的 buffer 来减少内存分配，sync.Pool 可以帮助复用 buffer， 一定要自己写这些逻辑，避免使用三方包，三方包即使使用同样的技巧为了避免数据争用，在返回数据时候必然会拷贝一个新的数据返回，就像 jsoniter 虽然使用了 sync.Pool 和 buffer 但是返回数据时还需要拷贝，另外这种通用包并不能给一个非常贴合业务的初始 buffer 大小，过小会导致数据发生拷贝，过大会太过浪费内存。

程序中善用 buffer 和 sync.Pool 可以大大的改善程序的性能，并且这两个组合在一起使用非常的简单，并不会使代码变的复杂。

赏

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