從Linux源碼分析bind系統(tǒng)調用

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(tǒng)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(tǒng)調用創(chuàng)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。

如果你想知道上圖中的結構是怎么來的，可以看下筆者以前的博客:

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/1791017

bind系統(tǒng)調用

bind將一個本地協(xié)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活UDP端口號。

#include 
// 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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)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(zhí)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(tài)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(tài)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(tài)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(tài)為listen 同時
			   // 有一方沒設置reuseport且sock2狀態(tài)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(fā)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(tài)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(tài)，都可以綁定成功，甚至ESTABLISHED狀態(tài)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(tài)，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(fā)連接的創(chuàng)建時候，由于正常的模型是單線程listener分發(fā)，無法利用多核優(yōu)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(fā)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(tǒng)調用竟然牽涉這么多，在里面可以挖掘出各種細節(jié)。在此分享出來，希望對讀者有所幫助。
編輯：hfy