從Linux源碼看Socket(TCP)的Bind
前言
筆者一直覺得如果能知道從應用到框架再到操作系統的每一處代碼，是一件Exciting的事情。今天筆者就來從Linux源碼的角度看下Server端的Socket在進行bind的時候到底做了哪些事情(基于Linux 3.10內核)。
一個最簡單的Server端例子
眾所周知，一個Server端Socket的建立，需要socket、bind、listen、accept四個步驟。
代碼如下:
- void start_server(){
- // server fd
- int sockfd_server;
- // accept fd
- int sockfd;
- int call_err;
- struct sockaddr_in sock_addr;
- sockfd_server = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
- memset(&sock_addr,0,sizeof(sock_addr));
- sock_addr.sin_family = AF_INET;
- sock_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
- sock_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
- // 這邊就是我們今天的聚焦點bind
- call_err=bind(sockfd_server,(struct sockaddr*)(&sock_addr),sizeof(sock_addr));
- if(call_err == -1){
- fprintf(stdout,"bind error!\n");
- exit(1);
- }
- // listen
- call_err=listen(sockfd_server,MAX_BACK_LOG);
- if(call_err == -1){
- fprintf(stdout,"listen error!\n");
- exit(1);
- }
- }
首先我們通過socket系統調用創建了一個socket，其中指定了SOCK_STREAM,而且最后一個參數為0，也就是建立了一個通常所有的TCP Socket。在這里，我們直接給出TCP Socket所對應的ops也就是操作函數。
bind系統調用
bind將一個本地協議地址(protocol:ip:port)賦予一個套接字。例如32位的ipv4地址或128位的ipv6地址+16位的TCP或UDP端口號。
- #include <sys/socket.h>
- // 返回，若成功則為0，若出錯則為-1
- int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
好了，我們直接進入Linux源碼調用棧吧。
- bind
- // 這邊由系統調用的返回值會被glibc的INLINE_SYSCALL包一層
- // 若有錯誤，則設置返回值為-1,同時將系統調用的返回值的絕對值設置給errno
- |->INLINE_SYSCALL (bind......);
- |->SYSCALL_DEFINE3(bind......);
- /* 檢測對應的描述符fd是否存在，不存在，返回-BADF
- |->sockfd_lookup_light
- |->sock->ops->bind(inet_stream_ops)
- |->inet_bind
- |->AF_INET兼容性檢查
- |-><1024端口權限檢查
- /* bind端口號校驗or選擇(在bind為0的時候)
- |->sk->sk_prot->get_port(inet_csk_get_port)
inet_bind
inet_bind這個函數主要做了兩個操作，一是檢測是否允許bind，而是獲取可用的端口號。這邊值得注意的是。如果我們設置需要bind的端口號為0，那么Kernel會幫我們隨機選擇一個可用的端口號來進行bind!
- // 讓系統隨機選擇可用端口號
- sock_addr.sin_port = 0;
- call_err=bind(sockfd_server,(struct sockaddr*)(&sock_addr),sizeof(sock_addr));
讓我們看下inet_bind的流程
值得注意的是，由于對于<1024的端口號需要CAP_NET_BIND_SERVICE,我們在監聽80端口號(例如啟動nginx時候),需要使用root用戶或者賦予這個可執行文件CAP_NET_BIND_SERVICE權限。
- use root
- or
- setcap cap_net_bind_service=+eip ./nginx
我們的bind允許綁定到0.0.0.0即INADDR_ANY這個地址上(一般都用這個)，它意味著內核去選擇IP地址。對我們最直接的影響如下圖所示:
然后，我們看下一個比較復雜的函數，即可用端口號的選擇過程inet_csk_get_port
(sk->sk_prot->get_port)
inet_csk_get_port
第一段，如果bind port為0，隨機搜索可用端口號
直接上源碼，第一段代碼為端口號為0的搜索過程
- // 這邊如果snum指定為0，則隨機選擇端口
- int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum)
- {
- ......
- // 這邊net_random()采用prandom_u32,是偽(pseudo)隨機數
- smallest_rover = rover = net_random() % remaining + low;
- smallest_size = -1;
- // snum=0,隨機選擇端口的分支
- if(!sum){
- // 獲取內核設置的端口號范圍,對應內核參數/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
- inet_get_local_port_range(&low,&high);
- ......
- do{
- if(inet_is_reserved_local_port(rover)
- goto next_nonlock; // 不選擇保留端口號
- ......
- inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain)
- // 在同一個網絡命名空間下存在和當前希望選擇的port rover一樣的port
- if (net_eq(ib_net(tb), net) && tb->port == rover) {
- // 已經存在的sock和當前新sock都開啟了SO_REUSEADDR,且當前sock狀態不為listen
- // 或者
- // 已經存在的sock和當前新sock都開啟了SO_REUSEPORT,而且兩者都是同一個用戶
- if (((tb->fastreuse > 0 &&
- sk->sk_reuse &&
- sk->sk_state != TCP_LISTEN) ||
- (tb->fastreuseport > 0 &&
- sk->sk_reuseport &&
- uid_eq(tb->fastuid, uid))) &&
- (tb->num_owners < smallest_size || smallest_size == -1)) {
- // 這邊是選擇一個最小的num_owners的port，即同時bind或者listen最小個數的port
- // 因為一個端口號(port)在開啟了so_reuseaddr/so_reuseport之后，是可以多個進程同時使用的
- smallest_size = tb->num_owners;
- smallest_rover = rover;
- if (atomic_read(&hashinfo->bsockets) > (high - low) + 1 &&
- !inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb, false)) {
- // 進入這個分支，表明可用端口號已經不夠了，同時綁定當前端口號和之前已經使用此port的不沖突，則我們選擇這個端口號(最小的)
- snum = smallest_rover;
- goto tb_found;
- }
- }
- // 若端口號不沖突，則選擇這個端口
- if (!inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb, false)) {
- snum = rover;
- goto tb_found;
- }
- goto next;
- }
- break;
- // 直至遍歷完所有的可用port
- } while (--remaining > 0);
- }
- .......
- }
由于，我們在使用bind的時候很少隨機端口號(在TCP服務器來說尤其如此),這段代碼筆者就注釋一下。一般只有一些特殊的遠程過程調用(RPC)中會使用隨機Server端隨機端口號。
第二段，找到端口號或已經指定
- have_snum:
- inet_bind_bucket_for_each(tb, &head->chain)
- if (net_eq(ib_net(tb), net) && tb->port == snum)
- goto tb_found;
- }
- tb = NULL;
- goto tb_not_found
- tb_found:
- // 如果此port已被bind
- if (!hlist_empty(&tb->owners)) {
- // 如果設置為強制重用，則直接成功
- if (sk->sk_reuse == SK_FORCE_REUSE)
- goto success;
- }
- 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) {
- // 這個分支表明之前bind的port和當前sock都設置了reuse同時當前sock狀態不為listen
- // 或者同時設置了reuseport而且是同一個uid(注意，設置了reuseport后，可以同時listen同一個port了)
- goto success;
- } else {
- ret = 1;
- // 檢查端口是否沖突
- if (inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict(sk, tb, true)) {
- if (((sk->sk_reuse && sk->sk_state != TCP_LISTEN) ||
- (tb->fastreuseport > 0 &&
- sk->sk_reuseport && uid_eq(tb->fastuid, uid))) &&
- smallest_size != -1 && --attempts >= 0) {
- // 若沖突，但是設置了reuse非listen狀態或者設置了reuseport且出在同一個用戶下
- // 則可以進行重試
- spin_unlock(&head->lock);
- goto again;
- }
- goto fail_unlock;
- }
- // 不沖突，走下面的邏輯
- }
- tb_not_found:
- if (!tb && (tb = inet_bind_bucket_create(hashinfo->bind_bucket_cachep,
- net, head, snum)) == NULL)
- goto fail_unlock;
- // 設置fastreuse
- // 設置fastreuseport
- success:
- ......
- // 將當前sock鏈入tb->owner，同時tb->num_owners++
- inet_bind_hash(sk, tb, snum);
- ret = 0;
- // 返回bind(綁定)成功
- return ret;
判斷端口號是否沖突
在上述源碼中，判斷端口號時否沖突的代碼為
- inet_csk(sk)->icsk_af_ops->bind_conflict 也即 inet_csk_bind_conflict
- int inet_csk_bind_conflict(const struct sock *sk,
- const struct inet_bind_bucket *tb, bool relax){
- ......
- sk_for_each_bound(sk2, &tb->owners) {
- // 這邊判斷表明，必須同一個接口(dev_if)才進入下內部分支，也就是說不在同一個接口端口的不沖突
- if (sk != sk2 &&
- !inet_v6_ipv6only(sk2) &&
- (!sk->sk_bound_dev_if ||
- !sk2->sk_bound_dev_if ||
- sk->sk_bound_dev_if == sk2->sk_bound_dev_if))
- {
- if ((!reuse || !sk2->sk_reuse ||
- sk2->sk_state == TCP_LISTEN) &&
- (!reuseport || !sk2->sk_reuseport ||
- (sk2->sk_state != TCP_TIME_WAIT &&
- !uid_eq(uid, sock_i_uid(sk2))))) {
- // 在有一方沒設置reuse且sock2狀態為listen 同時
- // 有一方沒設置reuseport且sock2狀態不為time_wait同時兩者的uid不一樣的時候
- const __be32 sk2_rcv_saddr = sk_rcv_saddr(sk2);
- if (!sk2_rcv_saddr || !sk_rcv_saddr(sk) ||
- // ip地址一樣，才算沖突
- sk2_rcv_saddr == sk_rcv_saddr(sk))
- break;
- }
- // 非放松模式，ip地址一樣，才算沖突
- ......
- return sk2 != NULL;
- }
- ......
- }
上面代碼的邏輯如下圖所示:
SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT
上面的代碼有點繞，筆者就講一下，對于我們日常開發要關心什么。
我們在上面的bind里面經常見到sk_reuse和sk_reuseport這兩個socket的Flag。這兩個Flag能夠決定是否能夠bind(綁定)成功。這兩個Flag的設置在C語言里面如下代碼所示:
- setsockopt(sockfd_server, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &(int){ 1 }, sizeof(int));
- setsockopt(sockfd_server, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &(int){ 1 }, sizeof(int));
在原生JAVA中
- // java8中，原生的socket并不支持so_reuseport
- ServerSocket server = new ServerSocket(port);
- server.setReuseAddress(true);
在Netty(Netty版本 >= 4.0.16且Linux內核版本>=3.9以上)中,可以使用SO_REUSEPORT。
SO_REUSEADDR
在之前的源碼里面，我們看到判斷bind是否沖突的時候，有這么一個分支
- (!reuse || !sk2->sk_reuse ||
- sk2->sk_state == TCP_LISTEN) /* 暫忽略reuseport */){
- // 即有一方沒有設置
- }
如果sk2(即已bind的socket)是TCP_LISTEN狀態或者，sk2和新sk兩者都沒有設置_REUSEADDR的時候，可以判斷為沖突。
我們可以得出，如果原sock和新sock都設置了SO_REUSEADDR的時候，只要原sock不是Listen狀態，都可以綁定成功，甚至ESTABLISHED狀態也可以!
這個在我們平常工作中，最常見的就是原sock處于TIME_WAIT狀態，這通常在我們關閉Server的時候出現，如果不設置SO_REUSEADDR,則會綁定失敗，進而啟動不來服務。而設置了SO_REUSEADDR,由于不是TCP_LISTEN,所以可以成功。
這個特性在緊急重啟以及線下調試的非常有用，建議開啟。
SO_REUSEPORT
SO_REUSEPORT是Linux在3.9版本引入的新功能。
1.在海量高并發連接的創建時候，由于正常的模型是單線程listener分發，無法利用多核優勢，這就會成為瓶頸。
2.CPU緩存行丟失
我們看下一般的Reactor線程模型，
明顯的其單線程listen/accept會存在瓶頸(如果采用多線程epoll accept，則會驚群，加WQ_FLAG_EXCLUSIVE可以解決一部分)，尤其是在采用短鏈接的情況下。
鑒于此,Linux增加了SO_REUSEPORT,而之前bind中判斷是否沖突的下面代碼也是為這個參數而添加的邏輯:
- if(!reuseport || !sk2->sk_reuseport ||
- (sk2->sk_state != TCP_TIME_WAIT &&
- !uid_eq(uid, sock_i_uid(sk2))
這段代碼讓我們在多次bind的時候，如果設置了SO_REUSEPORT的時候不會報錯，也就是讓我們有個多線程(進程)bind/listen的能力。如下圖所示:
而開啟了SO_REUSEPORT后，代碼棧如下:
- tcp_v4_rcv
- |->__inet_lookup_skb
- |->__inet_lookup
- |->__inet_lookup_listener
- /* 用打分和偽隨機數等挑選出一個listen的sock */
- struct sock *__inet_lookup_listener(......)
- {
- ......
- 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);
- }
- ......
- }
直接在內核層面做負載均衡，將accept的任務分散到不同的線程的不同socket上(Sharding)，毫無疑問可以多核能力，大幅提升連接成功后的socket分發能力。
Nginx已經采用SO_REUSEPORT
Nginx在1.9.1版本的時候引入了SO_REUSEPORT，配置如下:
- http {
- server {
- listen 80 reuseport;
- server_name localhost;
- # ...
- }
- }
- stream {
- server {
- listen 12345 reuseport;
- # ...
- }
- }
總結
Linux內核源碼博大精深，一個看起來簡單的bind系統調用竟然牽涉這么多，在里面可以挖掘出各種細節。在此分享出來，希望對讀者有所幫助。
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