Linux網絡編程“驚群”問題總結
1、前言
我從事Linux系統下網絡開發將近4年了，經常還是遇到一些問題，只是知其然而不知其所以然，有時候和其他人交流，搞得非常尷尬。如今計算機都是多核了，網絡編程框架也逐步豐富多了，我所知道的有多進程、多線程、異步事件驅動常用的三種模型。最經典的模型就是Nginx中所用的Master-Worker多進程異步驅動模型。今天和大家一起討論一下網絡開發中遇到的“驚群”現象。之前只是聽說過這個現象，網上查資料也了解了基本概念，在實際的工作中還真沒有遇到過。今天周末，結合自己的理解和網上的資料，徹底將“驚群”弄明白。需要弄清楚如下幾個問題：
（1）什么是“驚群”，會產生什么問題？
（2）“驚群”的現象怎么用代碼模擬出來？
（3）如何處理“驚群”問題，處理“驚群”后的現象又是怎么樣呢？
2、何為驚群
如今網絡編程中經常用到多進程或多線程模型，大概的思路是父進程創建socket，bind、listen后，通過fork創建多個子進程，每個子進程繼承了父進程的socket，調用accpet開始監聽等待網絡連接。這個時候有多個進程同時等待網絡的連接事件，當這個事件發生時，這些進程被同時喚醒，就是“驚群”。這樣會導致什么問題呢？我們知道進程被喚醒，需要進行內核重新調度，這樣每個進程同時去響應這一個事件，而最終只有一個進程能處理事件成功，其他的進程在處理該事件失敗后重新休眠或其他。網絡模型如下圖所示：
簡而言之，驚群現象（thundering herd）就是當多個進程和線程在同時阻塞等待同一個事件時，如果這個事件發生，會喚醒所有的進程，但最終只可能有一個進程/線程對該事件進行處理，其他進程/線程會在失敗后重新休眠，這種性能浪費就是驚群。
3、編碼模擬“驚群”現象
我們已經知道了“驚群”是怎么回事，那么就按照上面的圖編碼實現看一下效果。我嘗試使用多進程模型，創建一個父進程綁定一個端口監聽socket，然后fork出多個子進程，子進程們開始循環處理（比如accept）這個socket。測試代碼如下所示：
?1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <sys/types.h>
4 #include <sys/socket.h>
5 #include <netinet/in.h>
6 #include <arpa/inet.h>
7 #include <assert.h>
8 #include <sys/wait.h>
9 #include <string.h>
10 #include <errno.h>
11
12 #define IP ? "127.0.0.1"
13 #define PORT ?8888
14 #define WORKER 4
15
16 int worker(int listenfd, int i)
17 {
18 ? ? while (1) {
19 ? ? ? ? printf("I am worker %d, begin to accept connection.\n", i);
20 ? ? ? ? struct sockaddr_in client_addr;
21 ? ? ? ? socklen_t client_addrlen = sizeof( client_addr );
22 ? ? ? ? int connfd = accept( listenfd, ( struct sockaddr* )&client_addr, &client_addrlen );
23 ? ? ? ? if (connfd != -1) {
24 ? ? ? ? ? ? printf("worker %d accept a connection success.\t", i);
25 ? ? ? ? ? ? printf("ip :%s\t",inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
26 ? ? ? ? ? ? printf("port: %d \n",client_addr.sin_port);
27 ? ? ? ? } else {
28 ? ? ? ? ? ? printf("worker %d accept a connection failed,error:%s", i, strerror(errno));
close(connfd);
29 ? ? ? ? }
30 ? ? }
31 ? ? return 0;
32 }
33
34 int main()
35 {
36 ? ? int i = 0;
37 ? ? struct sockaddr_in address;
38 ? ? bzero(&address, sizeof(address));
39 ? ? address.sin_family = AF_INET;
40 ? ? inet_pton( AF_INET, IP, &address.sin_addr);
41 ? ? address.sin_port = htons(PORT);
42 ? ? int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
43 ? ? assert(listenfd >= 0);
44
45 ? ? int ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
46 ? ? assert(ret != -1);
47
48 ? ? ret = listen(listenfd, 5);
49 ? ? assert(ret != -1);
50
51 ? ? for (i = 0; i < WORKER; i++) {
52 ? ? ? ? printf("Create worker %d\n", i+1);
53 ? ? ? ? pid_t pid = fork();
54 ? ? ? ? /*child ?process */
55 ? ? ? ? if (pid == 0) {
56 ? ? ? ? ? ? worker(listenfd, i);
57 ? ? ? ? }
58
59 ? ? ? ? if (pid < 0) {
60 ? ? ? ? ? ? printf("fork error");
61 ? ? ? ? }
62 ? ? }
63
64 ? ? /*wait child process*/
65 ? ? int status;
66 ? ? wait(&status);
67 ? ? return 0;
68 }
編譯執行，在本機上使用telnet 127.0.0.1 8888測試，結果如下所示：
按照“驚群"現象，期望結果應該是4個子進程都會accpet到請求，其中只有一個成功，另外三個失敗的情況。而實際的結果顯示，父進程開始創建4個子進程，每個子進程開始等待accept連接。當telnet連接來的時候，只有worker2 子進程accpet到請求，而其他的三個進程并沒有接收到請求。
這是什么原因呢？難道驚群現象是假的嗎？于是趕緊google查一下，驚群到底是怎么出現的。
其實在Linux2.6版本以后，內核內核已經解決了accept()函數的“驚群”問題，大概的處理方式就是，當內核接收到一個客戶連接后，?只會喚醒等待隊列上的第一個進程或線程?。所以，如果服務器采用accept阻塞調用方式，在最新的Linux系統上，已經沒有“驚群”的問題了。
但是，對于實際工程中常見的服務器程序，大都使用select、poll或epoll機制，此時，服務器不是阻塞在accept，而是阻塞在select、poll或epoll_wait，這種情況下的“驚群”仍然需要考慮。接下來以epoll為例分析：
使用epoll非阻塞實現代碼如下所示：
??1 #include <sys/types.h>
2 #include <sys/socket.h>
3 #include <sys/epoll.h>
4 #include <netdb.h>
5 #include <string.h>
6 #include <stdio.h>
7 #include <unistd.h>
8 #include <fcntl.h>
9 #include <stdlib.h>
10 #include <errno.h>
11 #include <sys/wait.h>
12 #include <unistd.h>
13
14 #define IP ? "127.0.0.1"
15 #define PORT ?8888
16 #define PROCESS_NUM 4
17 #define MAXEVENTS 64
18
19 static int create_and_bind ()
20 {
21 ? ? int fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
22 ? ? struct sockaddr_in serveraddr;
23 ? ? serveraddr.sin_family = AF_INET;
24 ? ? inet_pton( AF_INET, IP, &serveraddr.sin_addr);
25 ? ? serveraddr.sin_port = htons(PORT);
26 ? ? bind(fd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
27 ? ? return fd;
28 }
29
30 static int make_socket_non_blocking (int sfd)
31 {
32 ? ? int flags, s;
33 ? ? flags = fcntl (sfd, F_GETFL, 0);
34 ? ? if (flags == -1) {
35 ? ? ? ? perror ("fcntl");
36 ? ? ? ? return -1;
37 ? ? }
38 ? ? flags |= O_NONBLOCK;
39 ? ? s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags);
40 ? ? if (s == -1) {
41 ? ? ? ? perror ("fcntl");
42 ? ? ? ? return -1;
43 ? ? }
44 ? ? return 0;
45 }
46
47 void worker(int sfd, int efd, struct epoll_event *events, int k) {
48 ? ? /* The event loop */
49 ? ? while (1) {
50 ? ? ? ? int n, i;
51 ? ? ? ? n = epoll_wait(efd, events, MAXEVENTS, -1);
52 ? ? ? ? printf("worker ?%d return from epoll_wait!\n", k);
53 ? ? ? ? for (i = 0; i < n; i++) {
54 ? ? ? ? ? ? if ((events[i].events & EPOLLERR) || (events[i].events & EPOLLHUP) || (!(events[i].events &EPOLLIN))) {
55 ? ? ? ? ? ? ? ? /* An error has occured on this fd, or the socket is not ready for reading (why were we notified then?) */
56 ? ? ? ? ? ? ? ? fprintf (stderr, "epoll error\n");
57 ? ? ? ? ? ? ? ? close (events[i].data.fd);
58 ? ? ? ? ? ? ? ? continue;
59 ? ? ? ? ? ? } else if (sfd == events[i].data.fd) {
60 ? ? ? ? ? ? ? ? /* We have a notification on the listening socket, which means one or more incoming connections. */
61 ? ? ? ? ? ? ? ? struct sockaddr in_addr;
62 ? ? ? ? ? ? ? ? socklen_t in_len;
63 ? ? ? ? ? ? ? ? int infd;
64 ? ? ? ? ? ? ? ? char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV];
65 ? ? ? ? ? ? ? ? in_len = sizeof in_addr;
66 ? ? ? ? ? ? ? ? infd = accept(sfd, ∈_addr, ∈_len);
67 ? ? ? ? ? ? ? ? if (infd == -1) {
68 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? printf("worker %d accept failed!\n", k);
69 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? break;
70 ? ? ? ? ? ? ? ? }
71 ? ? ? ? ? ? ? ? printf("worker %d accept successed!\n", k);
72 ? ? ? ? ? ? ? ? /* Make the incoming socket non-blocking and add it to the list of fds to monitor. */
73 ? ? ? ? ? ? ? ? close(infd);
74 ? ? ? ? ? ? }
75 ? ? ? ? }
76 ? ? }
77 }
78
79 int main (int argc, char *argv[])
80 {
81 ? ? int sfd, s;
82 ? ? int efd;
83 ? ? struct epoll_event event;
84 ? ? struct epoll_event *events;
85 ? ? sfd = create_and_bind();
86 ? ? if (sfd == -1) {
87 ? ? ? ? abort ();
88 ? ? }
89 ? ? s = make_socket_non_blocking (sfd);
90 ? ? if (s == -1) {
91 ? ? ? ? abort ();
92 ? ? }
93 ? ? s = listen(sfd, SOMAXCONN);
94 ? ? if (s == -1) {
95 ? ? ? ? perror ("listen");
96 ? ? ? ? abort ();
97 ? ? }
98 ? ? efd = epoll_create(MAXEVENTS);
99 ? ? if (efd == -1) {
100 ? ? ? ? perror("epoll_create");
101 ? ? ? ? abort();
102 ? ? }
103 ? ? event.data.fd = sfd;
104 ? ? event.events = EPOLLIN;
105 ? ? s = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);
106 ? ? if (s == -1) {
107 ? ? ? ? perror("epoll_ctl");
108 ? ? ? ? abort();
109 ? ? }
110
111 ? ? /* Buffer where events are returned */
112 ? ? events = calloc(MAXEVENTS, sizeof event);
113 ? ? int k;
114 ? ? for(k = 0; k < PROCESS_NUM; k++) {
115 ? ? ? ? printf("Create worker %d\n", k+1);
116 ? ? ? ? int pid = fork();
117 ? ? ? ? if(pid == 0) {
118 ? ? ? ? ? ? worker(sfd, efd, events, k);
119 ? ? ? ? }
120 ? ? }
121 ? ? int status;
122 ? ? wait(&status);
123 ? ? free (events);
124 ? ? close (sfd);
125 ? ? return EXIT_SUCCESS;
126 }
父進程中創建套接字，并設置為非阻塞，開始listen。然后fork出4個子進程，在worker中調用epoll_wait開始accpet連接。使用telnet測試結果如下：
從結果看出，與上面是一樣的，只有一個進程接收到連接，其他三個沒有收到，說明沒有發生驚群現象。這又是為什么呢？
在早期的Linux版本中，內核對于阻塞在epoll_wait的進程，也是采用全部喚醒的機制，所以存在和accept相似的“驚群”問題。新版本的的解決方案也是?只會喚醒等待隊列上的第一個進程或線程?，所以，新版本Linux??部分的?解決了epoll的“驚群”問題。所謂?部分的?解決，意思就是：對于部分特殊場景，使用epoll機制，已經不存在“驚群”的問題了，但是對于大多數場景，epoll機制仍然存在“驚群”。
epoll存在驚群的場景如下：在worker保持工作的狀態下，都會被喚醒，例如在epoll_wait后調用sleep一次。改寫woker函數如下：
void worker(int sfd, int efd, struct epoll_event *events, int k) {
/* The event loop */
while (1) {
int n, i;
n = epoll_wait(efd, events, MAXEVENTS, -1);
/*keep running*/
sleep(2);
printf("worker ?%d return from epoll_wait!\n", k);
for (i = 0; i < n; i++) {
if ((events[i].events & EPOLLERR) || (events[i].events & EPOLLHUP) || (!(events[i].events &EPOLLIN))) {
/* An error has occured on this fd, or the socket is not ready for reading (why were we notified then?) */
fprintf (stderr, "epoll error\n");
close (events[i].data.fd);
continue;
} else if (sfd == events[i].data.fd) {
/* We have a notification on the listening socket, which means one or more incoming connections. */
struct sockaddr in_addr;
socklen_t in_len;
int infd;
char hbuf[NI_MAXHOST], sbuf[NI_MAXSERV];
in_len = sizeof in_addr;
infd = accept(sfd, ∈_addr, ∈_len);
if (infd == -1) {
printf("worker %d accept failed,error:%s\n", k, strerror(errno));
break;
}
printf("worker %d accept successed!\n", k);
/* Make the incoming socket non-blocking and add it to the list of fds to monitor. */
close(infd);
}
}
}
}
測試結果如下所示：
終于看到驚群現象的出現了。
4、解決驚群問題
Nginx中使用mutex互斥鎖解決這個問題，具體措施有使用全局互斥鎖，每個子進程在epoll_wait()之前先去申請鎖，申請到則繼續處理，獲取不到則等待，并設置了一個負載均衡的?算法?（當某一個子進程的任務量達到總設置量的7/8時，則不會再嘗試去申請鎖）來均衡各個進程的任務量。后面深入學習一下Nginx的驚群處理過程。