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：

 #include <stdio.h>
 #include <unistd.h>
 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <assert.h>
 #include <sys/wait.h>
 #include <string.h>
 #include <errno.h>

 #define IP   "127.0.0.1"
 #define PORT  8888
 #define WORKER 4

 int worker(int listenfd, int i)
 {
     while () {
         printf("I am worker %d, begin to accept connection.\n", i);
         struct sockaddr_in client_addr;
         socklen_t client_addrlen = sizeof( client_addr );
         int connfd = accept( listenfd, ( struct sockaddr* )&client_addr, &client_addrlen );
         if (connfd != -) {
             printf("worker %d accept a connection success.\t", i);
             printf("ip :%s\t",inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
             printf("port: %d \n",client_addr.sin_port);
         } else {
             printf("worker %d accept a connection failed,error:%s", i, strerror(errno));
　　　　　　　　 close(connfd);
         }
     }
     return ;
 }

 int main()
 {
     int i = ;
     struct sockaddr_in address;
     bzero(&address, sizeof(address));
     address.sin_family = AF_INET;
     inet_pton( AF_INET, IP, &address.sin_addr);
     address.sin_port = htons(PORT);
     int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );
     assert(listenfd >= );  

     int ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
     assert(ret != -);  

     ret = listen(listenfd, );
     assert(ret != -);  

     for (i = ; i < WORKER; i++) {
         printf("Create worker %d\n", i+);
         pid_t pid = fork();
         /*child  process */
         if (pid == ) {
             worker(listenfd, i);
         }

         if (pid < ) {
             printf("fork error");
         }
     }

     /*wait child process*/
     int status;
     wait(&status);
     return ;
 }

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：

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <sys/epoll.h>
 #include <netdb.h>
 #include <string.h>
 #include <stdio.h>
 #include <unistd.h>
 #include <fcntl.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <errno.h>
 #include <sys/wait.h>
 #include <unistd.h>

 #define IP   "127.0.0.1"
 #define PORT  8888
 #define PROCESS_NUM 4
 #define MAXEVENTS 64

 static int create_and_bind ()
 {
     int fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, );
     struct sockaddr_in serveraddr;
     serveraddr.sin_family = AF_INET;
     inet_pton( AF_INET, IP, &serveraddr.sin_addr);
     serveraddr.sin_port = htons(PORT);
     bind(fd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(serveraddr));
     return fd;
 }

 static int make_socket_non_blocking (int sfd)
 {
     int flags, s;
     flags = fcntl (sfd, F_GETFL, );
     if (flags == -) {
         perror ("fcntl");
         return -;
     }
     flags |= O_NONBLOCK;
     s = fcntl (sfd, F_SETFL, flags);
     if (s == -) {
         perror ("fcntl");
         return -;
     }
     return ;
 }

 void worker(int sfd, int efd, struct epoll_event *events, int k) {
     /* The event loop */
     while () {
         int n, i;
         n = epoll_wait(efd, events, MAXEVENTS, -);
         printf("worker  %d return from epoll_wait!\n", k);
         for (i = ; 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 == -) {
                     printf("worker %d accept failed!\n", k);
                     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);
             }
         }
     }
 }

 int main (int argc, char *argv[])
 {
     int sfd, s;
     int efd;
     struct epoll_event event;
     struct epoll_event *events;
     sfd = create_and_bind();
     if (sfd == -) {
         abort ();
     }
     s = make_socket_non_blocking (sfd);
     if (s == -) {
         abort ();
     }
     s = listen(sfd, SOMAXCONN);
     if (s == -) {
         perror ("listen");
         abort ();
     }
     efd = epoll_create(MAXEVENTS);
     if (efd == -) {
         perror("epoll_create");
         abort();
     }
     event.data.fd = sfd;
     event.events = EPOLLIN;
     s = epoll_ctl(efd, EPOLL_CTL_ADD, sfd, &event);
     if (s == -) {
         perror("epoll_ctl");
         abort();
     }

     /* Buffer where events are returned */
     events = calloc(MAXEVENTS, sizeof event);
     int k;
     for(k = ; k < PROCESS_NUM; k++) {
         printf("Create worker %d\n", k+);
         int pid = fork();
         if(pid == ) {
             worker(sfd, efd, events, k);
         }
     }
     int status;
     wait(&status);
     free (events);
     close (sfd);
     return EXIT_SUCCESS;
 }

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 () {
        int n, i;
        n = epoll_wait(efd, events, MAXEVENTS, -);
        /*keep running*/
        sleep(2);
        printf("worker  %d return from epoll_wait!\n", k);
        for (i = ; 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 == -) {
                    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