Linux 最新SO_REUSEPORT特性

1、前言

　　昨天总结了一下Linux下网络编程“惊群”现象，给出Nginx处理惊群的方法，使用互斥锁。为例发挥多核的优势，目前常见的网络编程模型就是多进程或多线程，根据accpet的位置，分为如下场景：

　　（1）单进程或线程创建socket，并进行listen和accept，接收到连接后创建进程和线程处理连接

　　（2）单进程或线程创建socket，并进行listen，预先创建好多个工作进程或线程accept()在同一个服务器套接字、

这两种模型解充分发挥了多核CPU的优势，虽然可以做到线程和CPU核绑定，但都会存在：

单一listener工作进程胡线程在高速的连接接入处理时会成为瓶颈
多个线程之间竞争获取服务套接字
缓存行跳跃
很难做到CPU之间的负载均衡
随着核数的扩展，性能并没有随着提升

参考：http://www.blogjava.net/yongboy/archive/2015/02/12/422893.html

Linux kernel 3.9带来了SO_REUSEPORT特性，可以解决以上大部分问题。

2、SO_REUSEPORT解决了什么问题

SO_REUSEPORT支持多个进程或者线程绑定到同一端口，提高服务器程序的性能，解决的问题：

允许多个套接字 bind()/listen() 同一个TCP/UDP端口
- 每一个线程拥有自己的服务器套接字
- 在服务器套接字上没有了锁的竞争
内核层面实现负载均衡
安全层面，监听同一个端口的套接字只能位于同一个用户下面

其核心的实现主要有三点：

扩展 socket option，增加 SO_REUSEPORT 选项，用来设置 reuseport。
修改 bind 系统调用实现，以便支持可以绑定到相同的 IP 和端口
修改处理新建连接的实现，查找 listener 的时候，能够支持在监听相同 IP 和端口的多个 sock 之间均衡选择。

有了SO_RESUEPORT后，每个进程可以自己创建socket、bind、listen、accept相同的地址和端口，各自是独立平等的。让多进程监听同一个端口，各个进程中accept socket fd不一样，有新连接建立时，内核只会唤醒一个进程来accept，并且保证唤醒的均衡性。

3、测试代码

 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 #include <stdlib.h>
12 #include <fcntl.h>
13 
14 #define IP   "127.0.0.1"
15 #define PORT  8888
16 #define WORKER 4
17 #define MAXLINE   4096
18 
19 int worker(int i)
20 {
21     struct sockaddr_in address;  
22     bzero(&address, sizeof(address));  
23     address.sin_family = AF_INET;  
24     inet_pton( AF_INET, IP, &address.sin_addr);  
25     address.sin_port = htons(PORT);  
26 
27     int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
28     assert(listenfd >= 0);  
29 
30     int val =1;
31     /*set SO_REUSEPORT*/
32     if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &val, sizeof(val))<0) {
33         perror("setsockopt()");         
34     }    
35     int ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));  
36     assert(ret != -1);  
37 
38     ret = listen(listenfd, 5);  
39     assert(ret != -1);  
40     while (1) {
41         printf("I am worker %d, begin to accept connection.\n", i);
42         struct sockaddr_in client_addr;  
43         socklen_t client_addrlen = sizeof( client_addr );  
44         int connfd = accept( listenfd, ( struct sockaddr* )&client_addr, &client_addrlen );  
45         if (connfd != -1) {
46             printf("worker %d accept a connection success. ip:%s, prot:%d\n", i, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), client_addr.sin_port);
47         } else {
48             printf("worker %d accept a connection failed,error:%s", i, strerror(errno));
49         }
50         char buffer[MAXLINE];
51         int nbytes = read(connfd, buffer, MAXLINE);
52         printf("read from client is:%s\n", buffer);
53         write(connfd, buffer, nbytes);
54         close(connfd);
55     }
56     return 0;
57 }
58 
59 int main()
60 {
61     int i = 0;
62     for (i = 0; i < WORKER; i++) {
63         printf("Create worker %d\n", i);
64         pid_t pid = fork();
65         /*child  process */
66         if (pid == 0) {
67             worker(i);
68         }
69         if (pid < 0) {
70             printf("fork error");
71         }
72     }
73     /*wait child process*/
74     while (wait(NULL) != 0)
75         ;
76     if (errno == ECHILD) {
77         fprintf(stderr, "wait error:%s\n", strerror(errno));
78     }
79     return 0;
80 }