网络编程中的惊群现象
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 8888
14 #define WORKER 4
15
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
