重新认识端口重用

概述

如果服务器上已经有个进程在 listen 6000 这个端口号了。那么该服务器上其它进程是否还能 bind 和 listen 该端口呢？相信学过一些的一定会答说是不能的。因为很多人都遇到过“Address already in use”这个错误。而这个错误产生的原因就是端口已经被占用。

但其实在 Linux 3.9 以上的内核版本里，是允许多个进程绑定到同一个端口号上(其实在使用boost asio的时候你就会发现我们并没有显式调用bind)。这就是今天要说的 REUSEPORT 新特性。那么REUSEPORT 是为了解决什么问题而产生的。如果有多个进程复用同一个端口，当用户请求到达时内核是如何选一个进程进行响应的。

REUSEPORT 要解决的问题

关于 REUSEPORT 特性产生的背景其实在 linux 的 commit 中提供的足够详细了，本质上与PV4向IPV6转变的理由是相同的，都是端口(IP)不够满足现在的发展。如今互联网澎湃发展，应对海量流量的主要措施就是应用多进程模型。在端口不可被重复 bind 和 listen 的年代里，提供海量服务的多进程 Server 提供一般是采用如下两种进程模型来工作。

第一种是专门搞一个或多个进程服务 accept 新连接，接收请求，然后将请求转给其它的 worker 进程来处理。

这种多进程模型有两个问题，首先第一个是 dispatcher 进程并不处理任务，需要转交给 worker 进程来处理和响应。这会导致一次额外的进程上下文切换的开销。第二个问题是如果流量特别大的时候 dispatcher 进程很容易成为制约整个服务 qps 提升的瓶颈。

还有另一种多进程模型是多个进程复用一个 listen 状态的 socket，多个进程同时从一个 socket 中 accept 请求来处理。Nginx 就采用的是这种模型。

这种进程模型解决了第一个模型的问题。但是又带来了新的问题。当 socket 收到一条连接的时候，不能把所有的 worker 进程都招呼起来。需要用锁来保证唯一性，这样就会有锁竞争的问题。

REUSEPORT 的诞生

为了更高效地让多个用户态的进程接收和响应客户端的请求。Linux 在 2013 年的 3.9 版本中提供了 REUSEPORT 新特性。

该特性允许同一机器上的多个进程同时创建不同的 socket 来 bind 和 listen 在相同的端口上。然后在内核层面实现多个用户进程的负载均衡。

SO_REUSEPORT 设置

想给自己的服务开启 REUSEPORT 很简单，就是给自己 server 里 listen 用的 socket 上加这么一句。

setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, ...);

这行代码在内核中对应的处理步骤就是把内核 socket 的 sk_reuseport 字段设置为相应的值，开启的话是 1。

//file: net/core/sock.c
int sock_setsockopt(struct socket *sock, int level, int optname,
      char __user *optval, unsigned int optlen)
{
 ...
 switch (optname) {
  ...
  case SO_REUSEPORT:
   sk->sk_reuseport = valbool;
  ...
 }
}

bind 时的处理

内核在 inet_bind 时会调用到 inet_csk_get_port 函数。bind 时对 reuseport 的处理过程。来看源码：

//file: net/ipv4/inet_connection_sock.c
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum)
{
 ...
 //在绑定表（bhash）中查找，
 head = &hashinfo->bhash[inet_bhashfn(net, snum,
   hashinfo->bhash_size)];
 inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain)
  //找到了，在一个命名空间下而且端口号一致，表示该端口已经绑定
  if (net_eq(ib_net(tb), net) && tb->port == snum)
   goto tb_found;
 ...
}

内核通过拉链哈希表的方式来管理所有的 bind 的 socket。其中 inet_bhashfn 是计算哈希值的函数。

当计算找到哈希槽位以后，通过inet_bind_bucket_for_each 来遍历所有的 bind 状态的 socket，目的是为了判断是否冲突。

net_eq(ib_net(tb), net) 这个条件表示网络命名空间匹配，tb->port == snum 表示端口号匹配。这两个条件加起来，就是说在同一个命名空间下，该端口已经被绑定过了。

//file: net/ipv4/inet_connection_sock.c
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum)
{
 ...
 if (((tb->fastreuse > 0 &&
       sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN) ||
      (tb->fastreuseport > 0 &&
       sk->sk_reuseport && uid_eq(tb->fastuid, uid))) &&
     smallest_size == -1) {
  goto success;
 } else {
  //绑定冲突
  ......
 }

我们看tb->fastreuseport > 0和 sk->sk_reuseport 这两个条件。

这两个条件的意思是已经 bind 的 socket 和正在 bind 的 socket 都开启了 SO_REUSEPORT 特性。符合条件的话，将会跳转到 success 进行绑定成功的处理。也就是说，这个端口可以重复绑定使用！

uid_eq(tb->fastuid, uid)这个条件目的是安全性，必须要求相同的用户进程下的 socket 才可以复用端口。避免跨用户启动相同端口来窃取另外用户服务上的流量。

accept 响应新连接

当有多个进程都 bind 和 listen 了同一个端口的时候。有客户端连接请求到来的时候就涉及到选择哪个 socket（进程）进行处理的问题。我们再简单看一下，响应连接时的处理过程。

内核仍然是通过 hash + 拉链的方式来保存所有的 listen 状态的 socket。

查找 listen 状态的 socket 的时候需要查找该哈希表。进入响应握手请求的时候进入的一个关键函数__inet_lookup_listener 。

//file: net/ipv4/inet_hashtables.c
struct sock *__inet_lookup_listener(struct net *net,
        struct inet_hashinfo *hashinfo,
        const __be32 saddr, __be16 sport,
        const __be32 daddr, const unsigned short hnum,
        const int dif)
{
 //所有 listen socket 都在这个 listening_hash 中
 struct inet_listen_hashbucket *ilb = &hashinfo->listening_hash[hash];

begin:
 result = NULL;
 hiscore = 0;
 sk_nulls_for_each_rcu(sk, node, &ilb->head) {
  score = compute_score(sk, net, hnum, daddr, dif);
  if (score > hiscore) {
   result = sk;
   hiscore = score;
   reuseport = sk->sk_reuseport;
   if (reuseport) {
    phash = inet_ehashfn(net, daddr, hnum,
           saddr, sport);
    matches = 1;
   }
  } else if (score == hiscore && reuseport) {
   matches++;
   if (((u64)phash * matches) >> 32 == 0)
    result = sk;
   phash = next_pseudo_random32(phash);
  }
 }
 ...
 return result;
}

其中 sk_nulls_for_each_rcu 是在遍历所有 hash 值相同的 listen 状态的 socket。注意看 compute_score 这个函数，这里是计算匹配分。当有多个 socket 都命中的时候，匹配分高的优先命中。我们来看一下这个函数里的一个细节。

//file: net/ipv4/inet_hashtables.c
static inline int compute_score(struct sock *sk, ...)
{
 int score = -1;
 struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);

 if (net_eq(sock_net(sk), net) && inet->inet_num == hnum &&
   !ipv6_only_sock(sk)) {
  //如果服务绑定的是 0.0.0.0，那么 rcv_saddr 为假
  __be32 rcv_saddr = inet->inet_rcv_saddr;
  score = sk->sk_family == PF_INET ? 2 : 1;
  if (rcv_saddr) {
   if (rcv_saddr != daddr)
    return -1;
   score += 4;
  }
  ... 
 }
 return score;
}

那么匹配分解决的是什么问题呢？为了描述的更清楚，我们假设某台服务器有两个 ip 地址，分别是 10.0.0.2 和 10.0.0.3。我们启动了如下三个服务器进程。

A 进程：./test-server 10.0.0.2 6000
B 进程：./test-server 0.0.0.0 6000
C 进程：./test-server 127.0.0.1 6000

那么你的客户端如果指定是连接 10.0.0.2:6000，那么 A 进程会优先执行。因为当匹配到 A 进程的 socket 的时候，需要看一下握手包中的目的 ip 和这个地址是否匹配，确实匹配那得分就是 4 分，最高分。

如果你指定连接的是 10.0.0.3，那么 A 进程就无法被匹配到。这个时候 B 进程监听时指定的是 0.0.0.0（rcv_saddr 为 false），则不需要进行目的地址的比对，得分为 2。由于没有更高分，所以这次命中的是 B 进程。

C 进程只有你在本机访问，且指定 ip 使用 127.0.0.1 才能命中，得分也是为 4 分。外部服务器或者是在本机使用其它 ip 都无法访问的到。

如果当多个 socket 的匹配分一致，通过调用 next_pseudo_random32 进行随机的选择。在内核态做了负载均衡的事情，选定一个具体的 socket，避免了多个进程在同一个 socket 上的锁竞争。

小结

在 Linux 3.9 以前的版本中，一个端口只能被一个 socket 绑定。在多进程的场景下，无论是使用一个进程来在这个 socket 上 accept，还是说用多个 worker 来 accept 同一个 socket，在高并发的场景下性能都显得有那么一些低下。

在 2013 年发布的 3.9 中添加了 reuseport 的特性。该特定允许多个进程分别用不同的 socket 绑定到同一个端口。当有流量到达的时候，在内核态以随机的方式进行负载均衡。避免了锁的开销。

如果使用的是nginx，只需要一行简单的配置就可以体验这个特性。

server {
  listen 80 reuseport;
  ...
}