SO_REUSEPORT 负载均衡

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

在Linux 3.9版本引入了socket套接字选项SO_REUSEPORT，Linux 3.9版本之前，一个进程通过bind一个三元组（{, <src_addr>, <src_port>}）组合之后，其他进程不能再bind同样的三元组，Linux 3.9版本之后，凡是传入选项SO_REUSEPORT且为同一个用户下（安全考虑）的socket套接字都可以bind和监听同样的三元组。内核对这些监听相同三元组的socket套接字实行负载均衡，将TCP连接请求均匀地分配给这些socket套接字。

这里的负载均衡基本原理为：当有TCP连接请求到来时，用数据包的（{<src_addr>, <src_port>}）作为一个hash函数的输入，将hash后的结果对SO_REUSEPORT套接字的数量取模，得到一个索引，该索引指示的数组位置对应的套接字便是要处理连接请求的套接字。

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。

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>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
 
#define IP   "127.0.0.1"
#define PORT  8888
#define WORKER 4
#define MAXLINE   4096
 
int worker(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, 0); 
    assert(listenfd >= 0); 
 
    int val =1;
    /*set SO_REUSEPORT*/
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &val, sizeof(val))<0) {
        perror("setsockopt()");        
    }   
    int ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)); 
    assert(ret != -1); 
 
    ret = listen(listenfd, 5); 
    assert(ret != -1); 
    while (1) {
        printf("I am worker %d, begin to accept connection.
", 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 != -1) {
            printf("worker %d accept a connection success. ip:%s, prot:%d
", i, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), client_addr.sin_port);
        } else {
            printf("worker %d accept a connection failed,error:%s", i, strerror(errno));
        }
        char buffer[MAXLINE];
        int nbytes = read(connfd, buffer, MAXLINE);
        printf("read from client is:%s
", buffer);
        write(connfd, buffer, nbytes);
        close(connfd);
    }
    return 0;
}
 
int main()
{
    int i = 0;
    for (i = 0; i < WORKER; i++) {
        printf("Create worker %d
", i);
        pid_t pid = fork();
        /*child  process */
        if (pid == 0) {
            worker(i);
        }
        if (pid < 0) {
            printf("fork error");
        }
    }
    /*wait child process*/
    while (wait(NULL) != 0)
        ;
    if (errno == ECHILD) {
        fprintf(stderr, "wait error:%s
", strerror(errno));
    }
    return 0;
}