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拿到lighttpd的源码就迫不及待的想去掉繁杂的皮肉以窥其简单的网络模型框架。我们平常所写的TCP网络服务程序离不开这样的步骤:新建socket ——》将socket绑定到某个地址——》侦听客户端连接——》accept获取已连接socket——》读写已连接socket。Lighttpd不外如此。
lighttpd使用的是TCP预先派生子进程,每一个子进程各自accept的服务器设计范式,或者叫watcher-worker模型,关于各种网络程序设计范式在unix网络编程一书中有详细描述。整个程序的入口函数在server.c文件中,在main函数开始部分是各种繁杂的初始化工作,现在暂且略过,直接看到重点代码:
[cpp] view plaincopy
/*当是以root用户运行程序时,调用network_init函数*/
if(i_am_root)
{
…
...
/* we need root-perms for port < 1024 */
if (0 != network_init(srv)) {
plugins_free(srv);
server_free(srv);
return -1;
}
…
...
}
network_init定义在network.c中,起初也是各种初始化工作,最后调用network_server_init,我们假设运行平台是ipv4(代码针对不同socket类型有不同的流程,为了化繁为简,只看ipv4流程),看下network_server_init流程的关键代码:
[cpp] view plaincopy
…
…
/*这是在创建socket*/
if (srv_socket->fd == -1) {
srv_socket->addr.plain.sa_family = AF_INET;
if (-1 == (srv_socket->fd = socket(srv_socket->addr.plain.sa_family, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP))) {
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__, "ss", "socket failed:", strerror(errno));
goto error_free_socket;
}
}
…
…
/*这是在初始化socket地址*/
case AF_INET:
memset(&srv_socket->addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
srv_socket->addr.ipv4.sin_family = AF_INET;
if (host == NULL) {
srv_socket->addr.ipv4.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
} else {
struct hostent *he;
if (NULL == (he = gethostbyname(host))) {
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__,
"sds", "gethostbyname failed: ",
h_errno, host);
goto error_free_socket;
}
if (he->h_addrtype != AF_INET) {
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__, "sd", "addr-type != AF_INET: ", he->h_addrtype);
goto error_free_socket;
}
if (he->h_length != sizeof(struct in_addr)) {
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__, "sd", "addr-length != sizeof(in_addr): ", he->h_length);
goto error_free_socket;
}
memcpy(&(srv_socket->addr.ipv4.sin_addr.s_addr), he->h_addr_list[0], he->h_length);
}
srv_socket->addr.ipv4.sin_port = htons(port);
addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
break;
…
…
/*这是在绑定socket地址*/
if (0 != bind(srv_socket->fd, (struct sockaddr *) &(srv_socket->addr), addr_len)) {
switch(srv_socket->addr.plain.sa_family) {
case AF_UNIX:
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__, "sds",
"can't bind to socket:",
host, strerror(errno));
break;
default:
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__, "ssds",
"can't bind to port:",
host, port, strerror(errno));
break;
}
goto error_free_socket;
}
…
…
/*这是在侦听*/
if (-1 == listen(srv_socket->fd, 128 * 8)) {
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__, "ss", "listen failed: ", strerror(errno));
goto error_free_socket;
}
…
…
一直到此处,lighttpd走的都是我们熟悉的流程。再回到main函数,来看下main中最重要的部分:
[cpp] view plaincopy
…
...
/*父进程是watcher,fork出许多worker子进程,当子进程个数达到上限时,父进程进入等待*/
/*直到有子进程退出,父进程在while循环中运行中,一旦跳出while循环程序也结束了*/
/*子进程fork出老后跳出while,也就是后面代码都是子进程的流程。*/
/* start watcher and workers */
num_childs = srv->srvconf.max_worker;
if (num_childs > 0) {
int child = 0;
while (!child && !srv_shutdown && !graceful_shutdown) {
if (num_childs > 0) {
switch (fork()) {
case -1:
return -1;
case 0:
child = 1;
break;
default:
num_childs--;
break;
}
} else {
int status;
if (-1 != wait(&status)) {
/**
* one of our workers went away
*/
num_childs++;
} else {
switch (errno) {
case EINTR:
/**
* if we receive a SIGHUP we have to close our logs ourself as we don't
* have the mainloop who can help us here
*/
if (handle_sig_hup) {
handle_sig_hup = 0;
log_error_cycle(srv);
/**
* forward to all procs in the process-group
*
* we also send it ourself
*/ if (!forwarded_sig_hup) {
forwarded_sig_hup = 1;
kill(0, SIGHUP);
}
}
break;
default:
break;
}
}
}
}
/**
* for the parent this is the exit-point
*/
if (!child) {
/**
* kill all children too
*/
if (graceful_shutdown) {
kill(0, SIGINT);
} else if (srv_shutdown) {
kill(0, SIGTERM);
}
log_error_close(srv);
network_close(srv);
connections_free(srv);
plugins_free(srv);
server_free(srv);
return 0;
}
}
…
…
到此,我们知道父进程在固定端口上监听后预先fork了一定数量的子进程,子进程将会做什么呢?按照本文开头描述的应该是accept后读写socket了吧!看接下的代码是否如此:
[cpp] view plaincopy
…
…
/*fdevent系统的初始化,fdevent在lighttpd中主要处理各种IO事件,lighttpd采用的*/
/*是reactor模式,也就是多路复用加非阻塞式IO,而多路复用在各种平台上有差异,fdevent*/
/*通过OO的方法封装了各个不同实现,以使得代码中可以使用统一的接口*/
if (NULL == (srv->ev = fdevent_init(srv, srv->max_fds + 1, srv->event_handler))) {
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__,
"s", "fdevent_init failed");
return -1;
}
/*注册srv中保存的socket到fdevent中*/
/*
* kqueue() is called here, select resets its internals,
* all server sockets get their handlers
*
* */
if (0 != network_register_fdevents(srv)) {
plugins_free(srv);
network_close(srv);
server_free(srv);
return -1;
}
…
…
函数network_register_fdevents在network.c中定义,代码如下:
[cpp] view plaincopy
int network_register_fdevents(server *srv) {
size_t i;
/*清除fdevent的IO句柄,如同select的FD_ZERO清除fd set*/
if (-1 == fdevent_reset(srv->ev)) {
return -1;
}
/* register fdevents after reset */
for (i = 0; i < srv->srv_sockets.used; i++) {
server_socket *srv_socket = srv->srv_sockets.ptr[i];
//注册回调函数
//一旦srv_socket->fd就绪,则触发函数 network_server_handle_fdevent
fdevent_register(srv->ev, srv_socket->fd, network_server_handle_fdevent, srv_socket);
//告诉fdevent观察srv_socket->fd,一旦可读,则调用相应回调函数。
fdevent_event_set(srv->ev, &(srv_socket->fde_ndx), srv_socket->fd, FDEVENT_IN);
}
return 0;
}
这里的srv_socket->fd其实就是之前创建的监听套接字,至此,我们假设有一个客户连接请求过来,这时子进程的srv_socket->fd 可读,回调函数network_server_handle_fdevent被调用:
[cpp] view plaincopy
static handler_t network_server_handle_fdevent(server *srv, void *context, int revents) {
…
...
/* accept()s at most 100 connections directly
*
* we jump out after 100 to give the waiting connections a chance */
for (loops = 0; loops < 100 && NULL != (con = connection_accept(srv, srv_socket)); loops++) {
handler_t r;
connection_state_machine(srv, con);
switch(r = plugins_call_handle_joblist(srv, con)) {
case HANDLER_FINISHED:
case HANDLER_GO_ON:
break;
default:
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__, "d", r);
break;
}
}
return HANDLER_GO_ON;
}
connection_accept在connections.c中定义,代码简化为如下:
…
…
//获取已连接套接字
if (-1 == (cnt = accept(srv_socket->fd, (struct sockaddr *) &cnt_addr, &cnt_len))) {
switch (errno) {
case EAGAIN:
#if EWOULDBLOCK != EAGAIN
case EWOULDBLOCK:
#endif
case EINTR:
/* we were stopped _before_ we had a connection */
case ECONNABORTED: /* this is a FreeBSD thingy */
/* we were stopped _after_ we had a connection */
break;
case EMFILE:
/* out of fds */
break;
default:
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__, "ssd", "accept failed:", strerror(errno), errno);
}
return NULL;
}
…
…
con->fd = cnt;
con->fde_ndx = -1;
//在fdevent中注册已连接socket : con->fd的回调函数connection_handle_fdevent
fdevent_register(srv->ev, con->fd, connection_handle_fdevent, con);
…
…
//设置一些属性,比如将con->fd设置为非阻塞的
if (-1 == (fdevent_fcntl_set(srv->ev, con->fd))) {
log_error_write(srv, __FILE__, __LINE__, "ss", "fcntl failed: ", strerror(errno));
return NULL;
}
…
…
分析到了这个地方,lighttpd的网络模型框架大致清楚了,正如文首所述,它和所有网络服务器程序一样都要走socket->bind->listen->accept流程,更具体的说,它使用了预先创建子进程,各子进程各自accept的范式,在UNIX网络编程中说这种范式会有accept惊群的问题,即当监听套接字可读,所有accept的子进程都会醒过来,但是只有一个进程获得已连接套接字,所有进程都唤醒是没有必要的,这样影响效率。对于这个问题,lighttpd似乎并没有处理。但是在新的linux内核中已经不存在accept惊群现象了。不过对于多路复用函数如select,epoll仍然存在类似问题,而代码里时常是先调epoll(select),再accept,lighttpd就是如此,因此还是会有新的惊群现象需要处理。如果不是我遗漏了的话,我没有发现lighttpd有相关代码对此进行处理,而nginx却有相关处理。
【遇到问题】
手头原来有一个单进程的linux epoll服务器程序,近来希望将它改写成多进程版本,主要原因有:
但随着改写工作的深入,便第一次碰到了“惊群”问题,一开始我的程序设想如下:
接着就遇到了“惊群”现象:当listen_fd有新的accept()请求过来,操作系统会唤醒所有子进程(因为这些进程都epoll_wait()同一个listen_fd,操作系统又无从判断由谁来负责accept,索性干脆全部叫醒……),但最终只会有一个进程成功accept,其他进程accept失败。外国IT友人认为所有子进程都是被“吓醒”的,所以称之为Thundering Herd(惊群)。
打个比方,街边有一家麦当劳餐厅,里面有4个服务小窗口,各有一位服务员。当大门口进来一位新客人时,门铃响了,4个服务员于是都抬起头(相当于操作系统唤醒了所有服务进程)希望将客人招呼过去自己所在的服务窗口。但结果可想而知,客人最终会走向其中某一个窗口,而其他3个窗口的服务员只能“失望叹息”(这一声无奈的叹息就相当于accept报EAGAIN错误),埋头继续忙自己的事去。
这样子“惊群”现象必然造成资源浪费,那有木有好的解决办法呢?
【寻找办法】
看了网上N多帖子和网页,阅读多款优秀开源程序的源代码,再结合自己的实验测试,总结如下:
【采用方案】
多方考量,最后选择参考lighttpd的Watcher/Workers模型,实现了我需要的那款多进程epoll程序,核心流程如下:
【小结】
纵观现如今的Linux服务器程序开发(无论是游戏服务器/WebServer服务器/balabala各类应用服务器),epoll可谓大行其道,当红炸子鸡一枚。它也确实是一个好东西,单进程时的事件处理能力就已经大大强于poll/select,难怪Nginx/Lighttpd等生力军程序都那么喜欢它。
但毕竟只有一个进程的话,晾着服务器的多个CPU实在是罪过,为追求更高的机器利用率和更短的请求响应处理时间,还是折腾着搞出了多进程epoll。从新程序在线上服务器上的表现看,效果也确实不错 ,开心。。。
感谢诸多网友的帖子分享,现在新程序已经上线,小弟也将心得整理成这篇博文,希望能帮到有需要的童鞋。仓促成文,若有错漏恳请指正,也请诸位不吝赐教给建议,灰常感谢!