扫二维码与项目经理沟通
我们在微信上24小时期待你的声音
解答本文疑问/技术咨询/运营咨询/技术建议/互联网交流
本篇文章为大家展示了如何用从Linux源码看Socket的accept,内容简明扼要并且容易理解,绝对能使你眼前一亮,通过这篇文章的详细介绍希望你能有所收获。
成都做网站、网站建设的关注点不是能为您做些什么网站,而是怎么做网站,有没有做好网站,给创新互联建站一个展示的机会来证明自己,这并不会花费您太多时间,或许会给您带来新的灵感和惊喜。面向用户友好,注重用户体验,一切以用户为中心。
笔者一直觉得如果能知道从应用到框架再到操作系统的每一处代码,是一件Exciting的事情。 今天笔者就从Linux源码的角度看下Server端的Socket在进行Accept的时候到底做了哪些事情(基于Linux 3.10内核)。
众所周知,一个Server端Socket的建立,需要socket、bind、listen、accept四个步骤。 今天,笔者就聚焦于accept。
代码如下:
void start_server(){ // server fd int sockfd_server; // accept fd int sockfd; int call_err; struct sockaddr_in sock_addr; ...... call_err=bind(sockfd_server,(struct sockaddr*)(&sock_addr),sizeof(sock_addr)); ...... call_err=listen(sockfd_server,MAX_BACK_LOG); ...... while(1){ struct sockaddr_in* s_addr_client = mem_alloc(sizeof(struct sockaddr_in)); int client_length = sizeof(*s_addr_client); // 这边就是我们今天的聚焦点accept sockfd = accept(sockfd_server,(struct sockaddr_ *)(s_addr_client),(socklen_t *)&(client_length)); if(sockfd == -1){ printf("Accept error!\n"); continue; } process_connection(sockfd,(struct sockaddr_in*)(&s_addr_client)); } }
首先我们通过socket系统调用创建了一个Socket,其中指定了SOCK_STREAM,而且最后一个参数为0,也就是建立了一个通常所有的TCP Socket。在这里,我们直接给出TCP Socket所对应的ops也就是操作函数。
好了,我们直接进入accept系统调用吧。
#include// 成功,返回代表新连接的描述符,错误返回-1,同时错误码设置在errno int accept(int sockfd,struct sockaddr* addr,socklen_t *addrlen); // 注意,实际上Linux还有个accept扩展accept4: // 额外添加的flags参数可以为新连接描述符设置O_NONBLOCK|O_CLOEXEC(执行exec后关闭)这两个标记 int accept4(int sockfd, struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen, int flags);
注意,这边的accept调用是被glibc用SYSCALL_CANCEL包了一层,其将返回值修正为只有0和-1这两个选择,同时将错误码的绝对值设置在errno内。由于glibc对于系统调用的封装过于复杂,就不在这里细讲了。如果要寻找具体的逻辑,用
// 注意accept和(之间要有空格,不然搜索不到 accept (int
在整个glibc代码中搜索即可。
理解accept的关键点是,它会创建一个新的Socket,这个新的Socket来与对端运行connect()的对等Socket进行连接,如下图所示:
接下来,我们就进入Linux内核源码栈吧
accept |->SYSCALL_CANCEL(accept......) ...... |->SYSCALL_DEFINE3(accept // 最终调用了sys_accept4 |->sys_accept4 /* 检测监听描述符fd是否存在,不存在,返回-BADF |->sockfd_lookup_light |->sock_alloc /*新建Socket*/ |->get_unused_fd_flags /*获取一个未用的fd*/ |->sock->ops->accept(sock...) /*调用核心*/
上述流程如下面所示:
由此得知,核心函数在sock->ops->accept上,由于我们关注的是TCP,那么其实现即为 inet_stream_ops->accept也即inet_accept,再次跟踪下调用栈:
sock->ops->accept |->inet_steam_ops->accept(inet_accept) /* 由一开始的sock图可知sk_prot=tcp_prot |->sk1->sk_prot->accept |->inet_csk_accept
好了,穿过了层层包装,终于到具体逻辑部分了。上代码:
struct sock *inet_csk_accept(struct sock *sk, int flags, int *err) { struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk); /* 获取当前监听sock的accept队列*/ struct request_sock_queue *queue = &icsk->icsk_accept_queue; ...... /* 如果监听Socket状态非TCP_LISEN,返回错误 */ if (sk->sk_state != TCP_LISTEN) goto out_err /* 如果当前accept队列为空 */ if (reqsk_queue_empty(queue)) { long timeo = sock_rcvtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK); /* 如果是非阻塞模式,直接返回-EAGAIN */ error = -EAGAIN; if (!timeo) goto out_err; /* 如果是阻塞模式,切超时时间不为0,则等待新连接进入队列 */ error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo); if (error) goto out_err; } /* 到这里accept queue不为空,从queue中获取一个连接 */ req = reqsk_queue_remove(queue); newsk = req->sk; /* fastopen 判断逻辑 */ ...... /* 返回新的sock,也就是accept派生出的和client端对等的那个sock */ return newsk }
上面流程如下图所示:
我们关注下inet_csk_wait_for_connect,即accept的超时逻辑:
static int inet_csk_wait_for_connect(struct sock *sk, long timeo) { for (;;) { /* 通过增加EXCLUSIVE标志使得在BIO中调用accept中不会产生惊群效应 */ prepare_to_wait_exclusive(sk_sleep(sk), &wait, TASK_INTERRUPTIBLE); if (reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue)) timeo = schedule_timeout(timeo); ....... err = -EAGAIN; /* 这边accept超时,返回的是-EAGAIN */ if (!timeo) break; } finish_wait(sk_sleep(sk), &wait); return err; }
通过exclusice标志使得我们在BIO中调用accept(不用epoll/select等)时,不会惊群。 由代码得知在accept超时时候返回(errno)的是EAGAIN而不是ETIMEOUT。
由于在EPOLL LT(水平触发模式下),一次accept事件,可能会唤醒多个等待在此listen fd上的(epoll_wait)线程,而最终可能只有一个能成功的获取到新连接(newfd),其它的都是-EGAIN,也即有一些不必要的线程被唤醒了,做了无用功。关于epoll的原理可以看下笔者之前的博客《从linux源码看epoll》:
https://my.oschina.net/alchemystar/blog/3008840
在这里描述一下原因,核心就是epoll_wait在水平触发下会在这个fd仍有未处理事件的时候重新塞回ready_list并在此唤醒另一个等待在epoll上的进程!
所以我们看到,虽然epoll_wait的时候给自己加了exclusive不会在有中断事件触发的时候惊群,但是水平触发这个机制确也造成了类似"惊群"的现象!
由上面的讨论看出,fd1仍旧有事件是造成额外唤醒的原因,这个也很好理解,毕竟这个事件是另一个线程处理的,那个线程估摸着还没来得及运行,自然也来不及处理!
我们看下在accept事件中,怎么判定这个fd(listen sock的fd)还有未处理事件的。
// 通过f_op->poll判定 epi->ffd.file->f_op->poll |->tcp_poll /* 如果sock是listen状态,则由下面函数负责 */ |->inet_csk_listen_poll /* 通过accept_queue队列是否为空判断监听sock是否有未处理事件*/ static inline unsigned int inet_csk_listen_poll(const struct sock *sk) { return !reqsk_queue_empty(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue) ? (POLLIN | POLLRDNORM) : 0; }
那么我们就可以根据逻辑画出时序图了。
其实不仅仅是accept,要是多线程epoll_wait同一个fd的read/write也是同样的惊群,只不过应该不会有人这么做吧。
正是由于这种"惊群"效应的存在,所以我们经常采用单开一个线程去专门accept的形式,例如reactor模式即是如此。但是,如果一瞬间有大量连接涌进来,单线程处理还是有瓶颈的,无法充分利用多核的优势,在海量短连接场景下就显得稍显无力了。这也是有解决方式的!
前面讲过,由于我们是在同一个fd上多线程去运行epoll_wait才会有此问题,那么其实我们多开几个fd就解决了。首先想到的方案是,多开几个端口号,人为分开监听fd,但这个明显带来了额外的复杂性。为了解决这一问题,Linux提供了so_reuseport这个参数,其原理如下图所示:
多个fd监听同一个端口号,在内核中做负载均衡(Sharding),将accept的任务分散到不同的线程的不同Socket上(Sharding),毫无疑问可以利用多核能力,大幅提升连接成功后的Socket分发能力。那么我们的线程模型也可以改为用多线程accept了,如下图所示:
在前面的讨论中,accept_queue是accept系统调用中的核心成员,那么这个accept_queue是怎么被填充(add)的呢?如下图所示: 图中展示了client和server在三次交互中,accept_queue(全连接队列)和syn_table半连接hash表的变迁情况。在accept_queue被填充后,由用户线程通过accept系统调用从队列中获取对应的fd 值得注意的是,当用户线程来不及处理的时候,内核会drop掉三次握手成功的连接,导致一些诡异的现象。
https://my.oschina.net/alchemystar/blog/3098219
另外,对于accept_queue具体的填充机制以及源码,可以见笔者另一篇博客的详细分析 《从Linux源码看Socket(TCP)的listen及连接队列》:
https://my.oschina.net/alchemystar/blog/4672630
上述内容就是如何用从Linux源码看Socket的accept,你们学到知识或技能了吗?如果还想学到更多技能或者丰富自己的知识储备,欢迎关注创新互联行业资讯频道。
我们在微信上24小时期待你的声音
解答本文疑问/技术咨询/运营咨询/技术建议/互联网交流