golang服务开发平滑升级之优雅重启

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经典平滑升级方案

服务器开发运维中，平滑升级是一个老生常谈的话题。拿一个http server来说，最常见的方案就是在http server前面加挂一个lvs负载，通过健康检查接口决定负载的导入与摘除。具体来说就是http server 提供一个/status 接口，服务器返回一个status文件，内容为ok，lvs负载定时访问这个接口，判断服务健康状况决定导入流量和切断流量。一般都会定一些策略，比如：访问间隔5秒，健康阈值2，异常阈值2之类的。意思就是每隔5秒访问一次/status接口，2次成功后，确认服务正常，开始导入流量，2次失败确认服务异常切断流量。当服务升级时，修改status文件内容为off，等待lvs健康检查确认服务为异常状态时主动切断流量，此时进行服务器的升级操作，服务重启完毕后，将status文件内容修改回ok，等待lvs健康检查确认服务正常后导入流量，以此步骤逐步完成剩余的机器的发布操作。将以上步骤完善成脚本，拆分为pre（预升级，ok修改为off）、post（发布代码，重启服务）、check（服务检查）、online（上线，off修改为ok）几个动作，与代码发布平台结合基本就实现了一般服务的自动化发版管理。360内部的代码发布平台Furion就是基于此原理工作的。

 

经典平滑升级方案的问题

一般的web服务使用上述平滑升级方案，基本上已经够用了。那这个方案还有什么问题吗？吹毛求疵的讲，还是有的。

  • 发布过程中，正在发布的机器被摘除，其他机器承压增大。

  • 发布过程仍然花费一些时间，按照上述策略指定的参数，发布一次至少需要20秒，当然我们可以调整参数，但是要面临浪费资源或者网络抖动误判导致切断流量的问题。

  • 切断流量瞬间会导致未完成请求返回不完整。

这些问题一般来说都不算大问题，服务器资源做好冗余就够了，但是当服务器数量很大，服务器QPS很高的情况，小问题也会变大问题。所有寻求完美无缝重启的方案就是解决问题的关键了。

 

优雅重启

golang语言http服务的优雅重启开源库也有一些，我们选择Facebook开源的库进行研究。代码地址https://github.com/facebookarchive/grace.git。网上的开源库的实现或简单或复杂，其实原理都差不多，执行优雅重启的过程基本如下：

  1. 发布新的bin文件去覆盖老的bin文件 

  2. 发送一个信号量，告诉正在运行的进程，进行重启 

  3. 正在运行的进程收到信号后，会以子进程的方式启动新的bin文件

  4. 新进程接受新请求，并处理 

  5. 老进程不再接受请求，但是要等正在处理的请求处理完成，所有在处理的请求处理完之后，便自动退出 其实我总结了一下，就两个关键点，一个是子进程继承端口监听启动，接受新请求处理；另一个是父进程优雅关闭。通过以上两个步骤基本上就实现了服务的无缝重启，发布过程中流量无损，发布消耗时间理论上最大也就是一个请求的超时时间，回滚服务也很简单，将旧版本服务重发一次就好了。

 

源码分析

1

使用方法

示例使用了流行的http库 gin，我们一般用法如下

  1. func main() {

  2. engine := gin.New()

  3. engine.Use(httpserver.NewAccessLogger(), gin.Recovery())

  4. controller.Regist(engine)

  5. srv := &http.Server{

  6. Addr: ":80",

  7. Handler: engine,

  8. ReadTimeout: 30 * time.Second,

  9. WriteTimeout: 30 * time.Second,

  10. }

  11. monitor.Init()

  12. srvMonitor := &http.Server{

  13. Addr: ":9900",

  14. Handler: nil,

  15. ReadTimeout: 30 * time.Second,

  16. WriteTimeout: 30 * time.Second,

  17. }

  18. grace.Serve(srv, srvMonitor)

  19. }

grace.Serve函数参数是一个切片，可以处理多个server的端口监听继承与优雅关闭。此外还提供了关闭前的hook，使用方法如下：

  1. gracehttp.ServeWithOptions([]*http.Server{srv, srvMonitor}, gracehttp.PreStartProcess(func() error {

  2. logger.Info("do PreStartProcess ")

  3. return nil

  4. }))

在调研中我发现项目上有错误的使用方法，如下：

  1. func startHttp() {

  2. engine := gin.New()

  3. engine.Use(httpserver.NewAccessLogger(), gin.Recovery())

  4. controller.Regist(engine)

  5. srv := &http.Server{

  6. Addr: ":80",

  7. Handler: engine,

  8. ReadTimeout: 30 * time.Second,

  9. WriteTimeout: 30 * time.Second,

  10. }

  11. monitor.Init()

  12. srvMonitor := &http.Server{

  13. Addr: ":9900",

  14. Handler: nil,

  15. ReadTimeout: 30 * time.Second,

  16. WriteTimeout: 30 * time.Second,

  17. }

  18. grace.Serve(srv, srvMonitor)

  19. }

  21. func main() {

  22. go startHttp()

  23. //注册信号

  24. go signalHandler()

  25. <-quiet

  26. logger.Info("Close Server")

  27. }

  29. func signalHandler() {

  30. c := make(chan os.Signal)

  31. signal.Notify(c, syscall.SIGHUP, syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM, syscall.SIGKILL, syscall.SIGQUIT)

  32. s := <-c

  33. logger.Info("get siginal siginal=%v", s)

  34. quiet <- 1

  35. }

这里为什么出错了呢，是因为他将grace.Serve(srv,srvMonitor) 放在goroutine里面了，并且自己又监听了一遍信号，这样会导致旧进程优雅关闭前，父进程已经已经退出了，优雅关闭就失效了。

2

关键代码

我们按照程序启动的顺序逻辑来讲，大体如下：

  1. 执行启动端口监听，挂载server，判断当前进程如果是子进程就向父进程发送SIGTERM信号。

  2. goroutine 执行wg.Add 和wg.Wait() ，等待所有挂载的server停止工作后执行退出进程。

  3. goroutine 执行 signalHandler，等待SIGTERM和SIGUSR2信号。收到SIGTERM信号执行每个server的优雅关闭，关闭完后执行wg.Done()，wg全部Done之后在2中执行了退出进程操作；收到SIGUSR2信号时，执行启动子进程操作。

  4. 子进程启动执行1，会向父进程发送SIGTERM信号，父进程收到SIGTERM信号执行3，进行优雅关闭操作。

总结起来就是执行启动重启时，执行shell命令：

  1. pgrep (你的项目名) |xargs kill -SIGUSR2

  2. #(注意：要使用bash)。

你的项目会启动子进程，并继承父进程监听的端口，启动成功后再向父进程发送SIGTERM信号， 旧进程执行优雅关闭。我们看关键的struct

  1. // gracehttp/http.go

  2. type app struct {

  3. servers []*http.Server

  4. http *httpdown.HTTP

  5. net *gracenet.Net

  6. listeners []net.Listener

  7. sds []httpdown.Server

  8. preStartProcess func() error

  9. errors chan error

  10. }

  11. // httpdown/httpdown.go

  12. type HTTP struct {

  13. // StopTimeout is the duration before we begin force closing connections.

  14. // Defaults to 1 minute.

  15. StopTimeout time.Duration

  17. // KillTimeout is the duration before which we completely give up and abort

  18. // even though we still have connected clients. This is useful when a large

  19. // number of client connections exist and closing them can take a long time.

  20. // Note, this is in addition to the StopTimeout. Defaults to 1 minute.

  21. KillTimeout time.Duration

  23. // Stats is optional. If provided, it will be used to record various metrics.

  24. Stats stats.Client

  26. // Clock allows for testing timing related functionality. Do not specify this

  27. // in production code.

  28. Clock clock.Clock

  29. }

  31. // gracenet/net.go

  32. type Net struct {

  33. inherited []net.Listener

  34. active []net.Listener

  35. mutex sync.Mutex

  36. inheritOnce sync.Once

  37. // used in tests to override the default behavior of starting from fd 3.

  38. fdStart int

  39. }

我们知道函数调用是从grace.Serve(srv, srvMonitor)开始的,Serve函数会new一个app，一路执行下去关键函数如下：a.run()、a.listen()、a.serve()、 a.wait()、a.signalHandler()、 a.term()、a.net.StartProcess()。

a.run() 大体逻辑如下：

  1. var (

  2. didInherit = os.Getenv("LISTEN_FDS") != ""

  3. ppid = os.Getppid()

  4. )

  6. func (a *app) run() error {

  7. a.listen()

  8. a.serve()

  9. if didInherit && ppid != 1 {

  10. syscall.Kill(ppid, syscall.SIGTERM)

  11. }

  12. waitdone := make(chan struct{})

  13. go func() {

  14. defer close(waitdone)

  15. a.wait()

  16. }()

  17. select {

  18. case err := <-a.errors:

  19. ...

  20. case <-waitdone:

  21. logger.Printf("Exiting pid %d.", os.Getpid())

  22. return nil

  23. }

  24. }

启动监听、挂载server，通过环境变量LISTEN_FDS判断当前进程是否为子进程，如果是就发送信号杀父进程。goroutine中执行wait()函数等待优雅关闭或者平滑启动子进程。

a.listen() 关键逻辑如下：

  1. func (a *app) listen() error {

  2. for _, s := range a.servers {

  3. l, err := a.net.Listen("tcp", s.Addr)

  4. ......

  5. a.listeners = append(a.listeners, l)

  6. }

  7. return nil

  8. }

这里看出app struct 中listeners用来存储监听的net.Listener的数组 ，net就是Net，封装了net.ListenTCP等逻辑（这里我只关注了TCP逻辑），inherited 和 active 两个数组分别用来存储继承自父进程的net.Listener 和 启动的net.Listener，这块父进程启动，即首次启动时逻辑很简单，略过，子进程启动，即非首次启动在介绍a.net.StartProccess时细讲。

a.serve() 关键逻辑如下：

  1. func (a *app) serve() {

  2. for i, s := range a.servers {

  3. a.sds = append(a.sds, a.http.Serve(s, a.listeners[i]))

  4. }

  5. }

这里涉及了app struct里面的两个字段，http和sds。http即 HTTP struct， 这里面封装了http server优雅关闭相关的逻辑，具体的细节很繁琐，我用一个简单的模型来说明一下吧。a.http.Serve(srv,l) 函数封装执行了srv.Serve(l)，即挂载srv， 并返回了一个httpdown.server的实例， 这个实例实现了httpdown.Server 接口，如下：

  1. // httpdown/httpdown.go

  2. type Server interface {

  3. // Wait waits for the serving loop to finish. This will happen when Stop is

  4. // called, at which point it returns no error, or if there is an error in the

  5. // serving loop. You must call Wait after calling Serve or ListenAndServe.

  6. Wait() error

  8. // Stop stops the listener. It will block until all connections have been

  9. // closed.

  10. Stop() error

  11. }

精简后实现的模型如下：

  1. func (s *server) serve() {

  2. // 即前面提到的 srv.Serve(l)，被封装的挂载srv的代码

  3. s.serveErr <- s.server.Serve(s.listener)

  4. close(s.serveDone)

  5. close(s.serveErr)

  6. }

  8. func (s *server) Wait() error {

  9. if err := <-s.serveErr; !isUseOfClosedError(err) {

  10. return err

  11. }

  12. return nil

  13. }

  15. func (s *server) Stop() error {

  16. s.stopOnce.Do(func() {

  17. closeErr := s.listener.Close()

  18. <-s.serveDone

  19. ......

  20. // 等待连接关闭或者超时后强杀连接等复杂逻辑

  21. ......

  22. if closeErr != nil && !isUseOfClosedError(closeErr) {

  23. s.stopErr = closeErr

  24. }

  25. })

  26. return s.stopErr

  27. }

s.serveErr <- s.server.Serve(s.listener) 启动成功后会在这里挂住，失败直接返回错误，Wait() 函数提供给a.wait()调用，正常情况也是挂住，等Stop() 里面 closeErr := s.listener.Close() 执行后返回。这块的逻辑要结合 a.wait()、 a.signalHandler()、 a.term() 一起来分析

a.wait() 和 a.term() 的代码

  1. func (a *app) wait() {

  2. var wg sync.WaitGroup

  3. wg.Add(len(a.sds) * 2) // Wait & Stop

  4. go a.signalHandler(&wg)

  5. for _, s := range a.sds {

  6. go func(s httpdown.Server) {

  7. defer wg.Done()

  8. if err := s.Wait(); err != nil {

  9. a.errors <- err

  10. }

  11. }(s)

  12. }

  13. wg.Wait()

  14. }

  16. func (a *app) term(wg *sync.WaitGroup) {

  17. for _, s := range a.sds {

  18. go func(s httpdown.Server) {

  19. defer wg.Done()

  20. if err := s.Stop(); err != nil {

  21. a.errors <- err

  22. }

  23. }(s)

  24. }

  25. }

a.run() 函数里面会goroutine 执行 a.wait()，它会goroutine执行信号处理 a.signalHandler() 函数，创建一个WaitGroup 等待所有的httpdown.server执行s.Wait()函数返回。a.signalHandler() 函数基本上逻辑就是监听signal.Notify信号，收到SIGTERM信号执行a.term() ，收到SIGUSR2信号执行a.net.StartProcess()。a.term() 函数就是遍历执行所有httpdown.server的s.Stop()，进行优雅关闭，结合上面的代码来看，每一个s.Stop() 会导致s.Wait() 返回，即执行了两次wg.Done()， 所有httpdown.server 优雅关闭后导致a.wait()返回，进而waitdone关闭， 进程最后退出。下面是a.signalHandler()函数的代码

  1. func (a *app) signalHandler(wg *sync.WaitGroup) {

  2. ch := make(chan os.Signal, 10)

  3. signal.Notify(ch, syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM, syscall.SIGUSR2)

  4. for {

  5. sig := <-ch

  6. switch sig {

  7. case syscall.SIGINT, syscall.SIGTERM:

  8. // this ensures a subsequent INT/TERM will trigger standard go behaviour of

  9. // terminating.

  10. signal.Stop(ch)

  11. a.term(wg)

  12. return

  13. case syscall.SIGUSR2:

  14. err := a.preStartProcess()

  15. if err != nil {

  16. a.errors <- err

  17. }

  18. // we only return here if there's an error, otherwise the new process

  19. // will send us a TERM when it's ready to trigger the actual shutdown.

  20. if _, err := a.net.StartProcess(); err != nil {

  21. a.errors <- err

  22. }

  23. }

  24. }

  25. }

a.net.StartProcess() 函数是启动子进程的逻辑，这里需要详细介绍一下

  1. const (

  2. // Used to indicate a graceful restart in the new process.

  3. envCountKey = "LISTEN_FDS"

  4. envCountKeyPrefix = envCountKey + "="

  5. )

  7. type filer interface {

  8. File() (*os.File, error)

  9. }

  11. func (n *Net) StartProcess() (int, error) {

  12. listeners, err := n.activeListeners()

  13. if err != nil {

  14. return 0, err

  15. }

  16. // Extract the fds from the listeners.

  17. files := make([]*os.File, len(listeners))

  18. for i, l := range listeners {

  19. files[i], err = l.(filer).File()

  20. if err != nil {

  21. return 0, err

  22. }

  23. defer files[i].Close()

  24. }

  25. // Use the original binary location. This works with symlinks such that if

  26. // the file it points to has been changed we will use the updated symlink.

  27. argv0, err := exec.LookPath(os.Args[0])

  28. if err != nil {

  29. return 0, err

  30. }

  32. // Pass on the environment and replace the old count key with the new one.

  33. var env []string

  34. for _, v := range os.Environ() {

  35. if !strings.HasPrefix(v, envCountKeyPrefix) {

  36. env = append(env, v)

  37. }

  38. }

  39. env = append(env, fmt.Sprintf("%s%d", envCountKeyPrefix, len(listeners)))

  41. allFiles := append([]*os.File{os.Stdin, os.Stdout, os.Stderr}, files...)

  42. process, err := os.StartProcess(argv0, os.Args, &os.ProcAttr{

  43. Dir: originalWD,

  44. Env: env,

  45. Files: allFiles,

  46. })

  47. if err != nil {

  48. return 0, err

  49. }

  50. return process.Pid, nil

  51. }

n.activeListeners()返回 n.active中的net.Listener 数组的副本，files是从中提取出的fd列表。注意allFiles在files前面拼接了3个标准输入输出，记住这个数字。env 中修改了环境变量LISTEN_FDS等于listener的数量。这里的启动子进程的方法是os.StartProcess()，我看了其他的开源库都用syscall.ForkExec

  1. fork, err := syscall.ForkExec(os.Args[0], os.Args, &os.ProcAttr{

  2. Dir: originalWD,

  3. Env: env,

  4. Files: allFiles,

  5. })

两种的区别后续还有待研究。还记得前面没有展开的Net中的inherited 和 active么，这里我们细讲一下。

  1. func (n *Net) Listen(nett, laddr string) (net.Listener, error) {

  2. ......

  3. // 仅关注tcp逻辑

  4. return n.ListenTCP(nett, addr)

  5. }

  6. func (n *Net) ListenTCP(nett string, laddr *net.TCPAddr) (*net.TCPListener, error) {

  7. if err := n.inherit(); err != nil {

  8. return nil, err

  9. }

  10. n.mutex.Lock()

  11. defer n.mutex.Unlock()

  12. // look for an inherited listener

  13. for i, l := range n.inherited {

  14. if l == nil { // we nil used inherited listeners

  15. continue

  16. }

  17. if isSameAddr(l.Addr(), laddr) {

  18. n.inherited[i] = nil

  19. n.active = append(n.active, l)

  20. return l.(*net.TCPListener), nil

  21. }

  22. }

  23. // make a fresh listener

  24. l, err := net.ListenTCP(nett, laddr)

  25. if err != nil {

  26. return nil, err

  27. }

  28. n.active = append(n.active, l)

  29. return l, nil

  30. }

  32. func (n *Net) inherit() error {

  33. var retErr error

  34. n.inheritOnce.Do(func() {

  35. n.mutex.Lock()

  36. defer n.mutex.Unlock()

  37. countStr := os.Getenv(envCountKey)

  38. if countStr == "" {

  39. return

  40. }

  41. count, err := strconv.Atoi(countStr)

  42. // In tests this may be overridden.

  43. fdStart := n.fdStart

  44. if fdStart == 0 {

  45. fdStart = 3

  46. }

  48. for i := fdStart; i < fdStart+count; i++ {

  49. file := os.NewFile(uintptr(i), "listener")

  50. l, err := net.FileListener(file)

  51. if err != nil {

  52. file.Close()

  53. retErr = fmt.Errorf("error inheriting socket fd %d: %s", i, err)

  54. return

  55. }

  56. if err := file.Close(); err != nil {

  57. retErr = fmt.Errorf("error closing inherited socket fd %d: %s", i, err)

  58. return

  59. }

  60. n.inherited = append(n.inherited, l)

  61. }

  62. })

  63. return retErr

  64. }

这里ListenTCP 先执行inherit() 将继承来的net.Listener 保存在n.inherited里面，启动时判断是否是继承的listener，没有才 make a fresh listener呢，这里的fdStart 初始值设置为3，就是前面提到的那个数字3 （三个标准输入输出占了3位）。

总结起来启动子进程流程如下：

1、提取listener的fd，修改LISTENFDS环境变量为listener的数量，os.StartProcess启动子进程.

  1. files[i], err = l.(filer).File()

2、子进程启动执行a.net.Listen()时，根据环境变量LISTENFDS和fdStart 变量取出listener

  1. file := os.NewFile(uintptr(i), "listener")

  2. l, err := net.FileListener(file)

  3. file.Close()

根据fd创建一个文件，通过文件拿到listener的副本，然后关闭文件。最终a.net.Listen()的逻辑是如果是继承端口就返回一个listener副本，如果不是就启动一个新的listener。3、后续执行a.serve() 挂载server，然后通知父进程优雅关闭等逻辑。

 

小结

好了，以上就是对gracehttp的源码阅读分析。至此我们对http服务平滑重启是如何实现的已经有一个大致的了解了。

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