Go发起HTTP2.0请求流程分析(前篇)

前言
继Go中的HTTP请求之——HTTP1.1请求流程分析之后，中间断断续续，历时近一月，终于才敢开始码字写下本文。
阅读建议
HTTP2.0在建立TCP连接和安全的TLS传输通道与HTTP1.1的流程基本一致。所以笔者建议没有看过Go中的HTTP请求之——HTTP1.1请求流程分析这篇文章的先去补一下课，本文会基于前一篇文章仅介绍和HTTP2.0相关的逻辑。
(*Transport).roundTrip
(*Transport).roundTrip方法会调用t.nextProtoOnce.Do(t.onceSetNextProtoDefaults)初始化TLSClientConfig以及h2transport，而这两者都和HTTP2.0有着紧密的联系。
TLSClientConfig: 初始化client支持的http协议, 并在tls握手时告知server。
h2transport: 如果本次请求是http2，那么h2transport会接管连接，请求和响应的处理逻辑。
下面看看源码：

笔者将上述的源码简单拆解为以下几个步骤:
新建一个http2clientConnPool并复制给t2，以后http2的请求会优先从该连接池中获取连接。初始化TLSClientConfig，并将支持的h2和http1.1协议添加到TLSClientConfig.NextProtos中。定义一个h2的upgradeFn存储到t1.TLSNextProto里。鉴于前一篇文章对新建连接前的步骤有了较为详细的介绍，所以这里直接看和server建立连接的部分源码，即(*Transport).dialConn方法：

笔者对上述的源码描述如下：
调用t.dial(ctx, "tcp", cm.addr())创建TCP连接。如果是https的请求， 则对请求建立安全的tls传输通道。检查tls的握手状态，如果和server协商的NegotiatedProtocol协议不为空，且client的t.TLSNextProto有该协议，则返回alt不为空的持久连接（HTTP1.1不会进入if条件里）。笔者对上述的第三点进行展开。经笔者在本地debug验证，当client和server都支持http2时，s.NegotiatedProtocol的值为h2且s.NegotiatedProtocolIsMutual的值为true。
在上面分析http2configureTransport函数时，我们知道TLSNextProto注册了一个key为h2的函数，所以调用next实际就是调用前面的upgradeFn函数。
upgradeFn会调用connPool.addConnIfNeeded向http2的连接池添加一个tls传输通道，并最终返回前面已经创建好的t2即http2Transport。

分析上述的源码我们能够得到两点结论：
执行完upgradeFn之后，(*Transport).dialConn返回的持久化连接中alt字段已经不是nil了。t.NewClientConn(tc)新建出来的连接会保存在http2的连接池即http2clientConnPool中，下一小结将对NewClientConn展开分析。最后我们回到(*Transport).roundTrip方法并分析其中的关键源码：

结合前面的分析，pconn.alt在server和client都支持http2协议的情况下是不为nil的。所以，http2的请求会走pconn.alt.RoundTrip(req)分支，也就是说http2的请求流程就被http2Transport接管啦。
(*http2Transport).NewClientConn
(*http2Transport).NewClientConn内部会调用t.newClientConn(c, t.disableKeepAlives())。
因为本节内容较多，所以笔者不再一次性贴出源码，而是按关键步骤分析并分块儿贴出源码。
1、初始化一个http2ClientConn：

上面的源码新建了一个默认的http2ClientConn。
initialWindowSize：初始化窗口大小为65535，这个值之后会初始化每一个数据流可发送的数据窗口大小。
maxConcurrentStreams：表示每个连接上允许最多有多少个数据流同时传输数据。
streams：当前连接上的数据流。
singleUse: 控制http2的连接是否允许多个数据流共享，其值由t.disableKeepAlives()控制。
2、创建一个条件锁并且新建Writer&Reader。

新建Writer&Reader没什么好说的，需要注意的是cc.flow.add(int32(http2initialWindowSize))。
cc.flow.add将当前连接的可写流控制窗口大小设置为http2initialWindowSize,即65535。
3、新建一个读写数据帧的Framer。

4、向server发送开场白，并发送一些初始化数据帧。

client向server发送的开场白内容如下:

发送完开场白后，client向server发送SETTINGS数据帧。
http2SettingEnablePush: 告知server客户端是否开启push功能。
http2SettingInitialWindowSize：告知server客户端可接受的最大数据窗口是http2transportDefaultStreamFlow（4M）。
发送完SETTINGS数据帧后，发送WINDOW_UPDATE数据帧, 因为第一个参数为0即streamID为0，则是告知server此连接可接受的最大数据窗口为http2transportDefaultConnFlow（1G）。
发送完WINDOW_UPDATE数据帧后，将client的可读流控制窗口大小设置为http2transportDefaultConnFlow http2initialWindowSize。
5、开启读循环并返回
go cc.readLoop()
(*http2Transport).RoundTrip
(*http2Transport).RoundTrip只是一个入口函数，它会调用(*http2Transport). RoundTripOpt方法。
(*http2Transport). RoundTripOpt有两个步骤比较关键：
t.connPool().GetClientConn(req, addr): 在http2的连接池里面获取一个可用连接，其中连接池的类型为http2noDialClientConnPool，参考http2configureTransport函数。
cc.roundTrip(req): 通过获取到的可用连接发送请求并返回响应。
(http2noDialClientConnPool).GetClientConn
根据实际的debug结果(http2noDialClientConnPool).GetClientConn最终会调用(*http2clientConnPool).getClientConn(req *Request, addr string, dialOnMiss bool)。
通过(http2noDialClientConnPool).GetClientConn获取连接时传递给(*http2clientConnPool).getClientConn方法的第三个参数始终为false，该参数为false时代表着即使无法正常获取可用连接，也不在这个环节重新发起拨号流程。
在(*http2clientConnPool).getClientConn中会遍历同地址的连接，并判断连接的状态从而获取一个可以处理请求的连接。

cc.idleState()判断当前连接池中的连接能否处理新的请求:
1、当前连接是否能被多个请求共享，如果仅单个请求使用且已经有一个数据流，则当前连接不能处理新的请求。

2、以下几点均为true时，才代表当前连接能够处理新的请求：
连接状态正常，即未关闭并且不处于正在关闭的状态。当前连接正在处理的数据流小于maxConcurrentStreams。下一个要处理的数据流 当前连接处于等待状态的请求*2 < math.MaxInt32。当前连接没有长时间处于空闲状态（主要通过cc.tooIdleLocked()判断）。

当从链接池成功获取到一个可以处理请求的连接，就可以和server进行数据交互，即(*http2ClientConn).roundTrip流程。
(*http2ClientConn).roundTrip
1、在真正开始处理请求前，还要进行header检查，http2对http1.1的某些header是不支持的，笔者就不对这个逻辑进行分析了，直接上源码：

2、调用(*http2ClientConn).awaitOpenSlotForRequest，一直等到当前连接处理的数据流小于maxConcurrentStreams, 如果此函数返回错误，则本次请求失败。
2.1、double check当前连接可用。

2.2、如果当前连接处理的数据流小于maxConcurrentStreams则直接返回nil。笔者相信大部分逻辑走到这儿就返回了。

2.3、如果当前连接处理的数据流确实已经达到上限，则开始进入等待流程。

通过上面的逻辑知道，当前连接处理的数据流达到上限后有两种情况，一是等待请求被取消，二是等待其他请求结束。如果有其他数据流结束并唤醒当前等待的请求，则重复2.1、2.2和2.3的步骤。
3、调用cc.newStream()在连接上创建一个数据流（创建数据流是线程安全的，因为源码中在调用awaitOpenSlotForRequest之前先加锁，直到写入请求的header之后才释放锁）。

笔者对上述代码简单描述如下：
新建一个http2clientStream，数据流ID为cc.nextStreamID，新建数据流后，cc.nextStreamID =2。数据流通过http2resAndError管道接收请求的响应。初始化当前数据流的可写流控制窗口大小为cc.initialWindowSize，并保存连接的可写流控制指针。初始化当前数据流的可读流控制窗口大小为http2transportDefaultStreamFlow，并保存连接的可读流控制指针。最后将新建的数据流注册到当前连接中。4、调用cc.t.getBodyWriterState(cs, body)会返回一个http2bodyWriterState
结构体。通过该结构体可以知道请求body是否发送成功。

s.fn: 标记当前数据流开始写入数据，并且将请求body的发送结果写入s.resc管道（本文暂不对writeRequestBody展开分析，下篇文章会对其进行分析）。
5、因为是多个请求共享一个连接，那么向连接写入数据帧时需要加锁，比如加锁写入请求头。

6、如果有请求body，则开始写入请求body，没有请求body则设置响应header的超时时间（有请求body时，响应header的超时时间需要在请求body写完之后设置）。

scheduleBodyWrite的内容如下：

因为笔者的请求header中没有携带100-continue标头，所以在前面的getBodyWriterState函数中初始化的s.timer为nil即调用scheduleBodyWrite会立即开始发送请求body。
7、轮询管道获取响应结果。
在看轮询源码之前，先看一个简单的函数：

该函数主要就是判断读到的响应是否正常，并根据响应的结果构造(*http2ClientConn).roundTrip的返回值。
了解了handleReadLoopResponse之后，下面就看看轮询的逻辑：

笔者仅对上面的第二种情况即请求body发送完成进行描述：
能否读到响应，如果能够读取响应则直接返回。判断请求body是否发送成功，如果发送失败，直接返回。如果请求body发送成功，则设置响应header的超时时间。总结
本文主要描述了两个方面的内容：
确认client和server都支持http2协议，并构建一个http2的连接，同时开启该连接的读循环。通过http2连接池获取一个http2连接，并发送请求和读取响应。预告
鉴于HTTTP2.0的内容较多，且文章篇幅过长时不易阅读，笔者将后续要分析的内容拆为两个部分:
描述数据帧和流控制以及读循环读到响应并发送给readLoopResCh管道。http2.0标头压缩逻辑。最后，衷心希望本文能够对各位读者有一定的帮助。
注:写本文时， 笔者所用go版本为: go1.14.2。本文对h2c的情况不予以考虑。因为笔者分析的是请求流程，所以没有在本地搭建server，而是使用了一个支持http2连接的图片一步步的debug。eg:https://dss0.bdstatic.com/5aV1bjqh_Q23odCf/static/superman/img/topnav/baiduyun@2x-e0be79e69e.png
参考
https://developers.google.com/web/fundamentals/performance/http2?hl=zh-cn