Go1.18 新特性：引入新的 Netip 網絡庫
大家好，我是煎魚。
寫這篇文章時是大年初一，原本想說這個月就要發布 Go1.18 了。但是，好家伙，Go1.18 beta2 發布了，官方告知社區 Go1.18 要拖更到 3 月份了，咕咕咕...
如下圖：
所以還是得繼續學習新特性，今天煎魚將結合 Brad Fitzpatrick 寫的《netaddr.IP: a new IP address type for Go[1]》帶大家了解 Go1.18 的新網絡庫 net/netip 的緣由。
背景
大佬離職
原本 Go 開發團隊中的 Brad Fitzpatrick，在 2010~2020 年都在 Go 團隊工作，在 2021 年起換公司了。
如下推特的消息：
離職的原因是：做了同樣的東西太久了，有些厭煩，不想陷在一個舒適的困境中。
現在來看是換到了 Tailscale，做 WireGuard 相關工作，要經常與網絡庫打交道。
需求誕生
大佬公司寫的 Tailscale，本質上是一個網絡應用程序，要與網絡打交道，又是用 Go 寫的，就會涉及到標準庫 net：
- 在單個 IP 類型上使用 net.IP。
- 網絡表示上使用 net.IPNet。
示例代碼：
import (
"fmt"
"net"
)
func main() {
fmt.Println(net.IPv4(8, 8, 8, 8))
}
輸出結果：
8.8.8.8
Brad Fitzpatrick 在實際編寫和使用時，發現 net 標準庫的類型有很多問題，很不好用。
現在有什么問題
Brad Fitzpatrick 對于標準庫 net.IP 的問題，直接在文章中列舉了出來，論據十足。
共 7 個大問題：
- 它是可變的。net.IP 的底層類型是 []byte，這意味著你傳遞給它的任何東西都可能改變它。
- 它不具有可比性。因為 Go 中的 slice 不具有可比性，這意味著 net.IP 不支持 Go 的 == 運算符的對比，不能作為 map 的 key 來使用。
- 它有兩種 IP 地址類型，要糾結用 net.IP，還是 net.IPAddr，要選擇就會很煩人。
- 它很大。Go 的 net.IP 包含 2 個部分，分別是 24 字節的 slice header 和 4/6 字節的 IP 地址。如果是 net.IPAddr 還會包含 Zone 字段。
- 它會在堆上分配內存。Go 的 net 包到處都是分配，把更多的工作放在了 GC 上。
- 它不可解析。從字符串形式解析 IP 時，Go 的 IP 類型無法區分 IPv4 映射的 IPv6 地址和 IPv4 地址。
- 它是透明類型(transparent type)，net.IP的定義是：type IP []byte，是其公共API的一部分，不可更改。
Brad 也有提到有些是當年早期的設計，當時經驗不足，或是沒有考慮好。
現在受限于 Go1 兼容性承諾，已經無法改變了(兼容性保障的雙刃劍?)。
這是個真實版 “Eating your own dog food”，所以在 Tailscale 他又重新造了一個輪子inetaf/netaddr[2]，想貢獻出來，塞進標準庫里。
未來想要的樣子
對比表格如下：
特性 | 老方案 net.IP | 新方案 |
不變的 | ?, slice | ? |
可比的 | ?, slice | ? |
占用空間小 | ?，28~56 字節 | ?，固定 24 字節 |
不在堆上分配 | ? | ? |
支持 IPv4 和 IPv6 | ? | ? |
區分 IPv4 和 IPv6 | ? | ? |
支持 IPv6 區域 | ? | ? |
不透明的類型 | ? | ? |
與標準庫互通 | ? | ??，需適配方法 |
想要的樣子，其實是 Brad 業務實戰出來的訴求，就是要支持前面提到的 7 點。
解決方案
當前的進展
實現的結果，也就是新方案做出來了，他就是inetaf/netaddr[3] 這個庫(當然，也不排除是結果倒推理論)。并且在 Go issues 中發起 issues 和 proposal。
https://pkg.go.dev/inet.af/netaddr
Russ Cox 發起了新提案的討論《proposal: net/netaddr: add new IP address type, netaddr package (discussion)[4]》，并被接納，進入了 Go1.18 的新特性當中。
重造過程
新的 net/netip 庫的每一個考量點，Brad 都在文章中有所詳細講解。
受限于篇幅，我們拿其中兩點來分享，有興趣的小伙伴可以閱讀原文的剖析部分。
接口類型組合
在可比較這事上，Go 的接口(interface)其實是支持比較的，也就是可以作為 map 的 key 進行 == 運算符的比較。
實現了如下的第一版方案，設計了新的netaddr.IP 類型：
type IP struct {
ipImpl
}
type ipImpl interface {
is4() bool
is6() bool
String() string
}
type v4Addr [4]byte
type v6Addr [16]byte
type v6AddrZone struct {
v6Addr
zone string
}
上述代碼，在 IP 結構體中增加了 ipImpl 接口，既能支持比較，還可以不對外暴露(不透明類型)，且可以支持 IPv6。
新的問題在于，雖然比原生 net 小了，但還是沒達到目標，還是有在堆上分配的缺點。
免分配的 24 字節
如果繼續使用接口，是無法解決根本目標(Brad 的目標是 24 字節)的。
因為接口(interface)占用 16 字節，剩余 8 個字節可以用，要放如下東西：
- 地址族(v4、v6，或兩者都不是，如：IP 的零值)，至少需要 2 位。
- IPv6 的 zone 信息。
還要能比較，顯然接口是無法實現的，因為地址+zone 信息算一下字節數，顯示是不夠用的。
正規顯式的沒辦法，Brad 想到了用打包的方式：
type IP struct {
addr [16]byte
zoneAndFamily uint64
}
但這么做，就意味著 zoneAndFamily 字段中需要計算位數，再對應的推入相應的值，但也未必太折騰了。
最終 Brad 想到了，可以使用指針的方式：
type IP struct {
addr [16]byte
zoneAndFamily *T
}
再定義 3 個對應哨位值的來應用：
var (
z0 *intern.Value // 表示零值。
z4 = new(intern.Value) // 表示 IPv4 的哨位值
z6noz = new(intern.Value) // 表示 IPv6 的哨位值（沒有 zone）。
)
這樣就可以把 IP 類型固定在 24 字節。
總結
這個網絡地址庫，一般都用的比較少。但是 Brad Fitzpatrick 在此投入了大量的精力和研究，達到了最終的目標。
除去庫的功能外，有許多技術優化點值得我們學習和參考，有興趣深入優化部分的，可以閱讀：https://tailscale.com/blog/netaddr-new-ip-type-for-go/[5]
本文介紹的新 net/netip 庫將會在 Go1.18 中作為新特性出現，歡迎大家一起學習交流：)
參考資料
[1]netaddr.IP: a new IP address type for Go: https://tailscale.com/blog/netaddr-new-ip-type-for-go/
[2]inetaf/netaddr: https://github.com/inetaf/netaddr
[3]inetaf/netaddr: https://github.com/inetaf/netaddr
[4]proposal: net/netaddr: add new IP address type, netaddr package): https://github.com/golang/go/discussions/47323
[5]https://tailscale.com/blog/netaddr-new-ip-type-for-go/: https://tailscale.com/blog/netaddr-new-ip-type-for-go/#wgcfg
