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Linux网络编程“惊群”问题总结
1、前言
我从事Linux系统下网络开发将近4年了，经常还是遇到一些问题，只是知其然而不知其所以然，有时候和其他人交流，搞得非常尴尬。如今计算机都是多核了，网络编程框架也逐步丰富多了，我所知道的有多进程、多线程、异步事件驱动常用的三种模型。最经典的模型就是Nginx中所用的Master-Worker多进程异步驱动模型。今天和大家一起讨论一下网络开发中遇到的“惊群”现象。之前只是听说过这个现象，网上查资料也了解了基本概念，在实际的工作中还真没有遇到过。今天周末，结合自己的理解和网上的资料，彻底将“惊群”弄明白。需要弄清楚如下几个问题：
（1）什么是“惊群”，会产生什么问题？
（2）“惊群”的现象怎么用代码模拟出来？
（3）如何处理“惊群”问题，处理“惊群”后的现象又是怎么样呢？
2、何为惊群
如今网络编程中经常用到多进程或多线程模型，大概的思路是父进程创建socket，bind、listen后，通过fork创建多个子进程，每个子进程继承了父进程的socket，调用accpet开始监听等待网络连接。这个时候有多个进程同时等待网络的连接事件，当这个事件发生时，这些进程被同时唤醒，就是“惊群”。这样会导致什么问题呢？我们知道进程被唤醒，需要进行内核重新调度，这样每个进程同时去响应这一个事件，而最终只有一个进程能处理事件成功，其他的进程在处理该事件失败后重新休眠或其他。网络模型如下图所示：
简而言之，惊群现象（thundering herd）就是当多个进程和线程在同时阻塞等待同一个事件时，如果这个事件发生，会唤醒所有的进程，但最终只可能有一个进程/线程对该事件进行处理，其他进程/线程会在失败后重新休眠，这种性能浪费就是惊群。
3、编码模拟“惊群”现象
我们已经知道了“惊群”是怎么回事，那么就按照上面的图编码实现看一下效果。我尝试使用多进程模型，创建一个父进程绑定一个端口监听socket，然后fork出多个子进程，子进程们开始循环处理（比如accept）这个socket。测试代码如下所示：
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 888814 #define WORKER 415 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 }
编译执行，在本机上使用telnet 127.0.0.1 8888测试，结果如下所示：
按照“惊群"现象，期望结果应该是4个子进程都会accpet到请求，其中只有一个成功，另外三个失败的情况。而实际的结果显示，父进程开始创建4个子进程，每个子进程开始等待accept连接。当telnet连接来的时候，只有worker2 子进程accpet到请求，而其他的三个进程并没有接收到请求。
这是什么原因呢？难道惊群现象是假的吗？于是赶紧google查一下，惊群到底是怎么出现的。
其实在Linux2.6版本以后，内核内核已经解决了accept()函数的“惊群”问题，大概的处理方式就是，当内核接收到一个客户连接后，只会唤醒等待队列上的第一个进程或线程。所以，如果服务器采用accept阻塞调用方式，在最新的Linux系统上，已经没有“惊群”的问题了。
但是，对于实际工程中常见的服务器程序，大都使用select、poll或epoll机制，此时，服务器不是阻塞在accept，而是阻塞在select、poll或epoll_wait，这种情况下的“惊群”仍然需要考虑。接下来以epoll为例分析：
使用epoll非阻塞实现代码如下所示：
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, &in_addr, &in_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 }
父进程中创建套接字，并设置为非阻塞，开始listen。然后fork出4个子进程，在worker中调用epoll_wait开始accpet连接。使用telnet测试结果如下：
从结果看出，与上面是一样的，只有一个进程接收到连接，其他三个没有收到，说明没有发生惊群现象。这又是为什么呢？
在早期的Linux版本中，内核对于阻塞在epoll_wait的进程，也是采用全部唤醒的机制，所以存在和accept相似的“惊群”问题。新版本的的解决方案也是只会唤醒等待队列上的第一个进程或线程，所以，新版本Linux 部分的解决了epoll的“惊群”问题。所谓部分的解决，意思就是：对于部分特殊场景，使用epoll机制，已经不存在“惊群”的问题了，但是对于大多数场景，epoll机制仍然存在“惊群”。
epoll存在惊群的场景如下：在worker保持工作的状态下，都会被唤醒，例如在epoll_wait后调用sleep一次。改写woker函数如下：
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, &in_addr, &in_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); } } } }
测试结果如下所示：
终于看到惊群现象的出现了。
4、解决惊群问题
Nginx中使用mutex互斥锁解决这个问题，具体措施有使用全局互斥锁，每个子进程在epoll_wait()之前先去申请锁，申请到则继续处理，获取不到则等待，并设置了一个负载均衡的算法（当某一个子进程的任务量达到总设置量的7/8时，则不会再尝试去申请锁）来均衡各个进程的任务量。后面深入学习一下Nginx的惊群处理过程。
5、参考网址
http://blog.csdn.net/russell_tao/article/details/7204260
http://pureage.info/2015/12/22/thundering-herd.html
http://blog.chinaunix.net/uid-20671208-id-4935141.html
Linux网络编程“惊群”问题总结