Go 如何利用 Linux 内核的负载均衡能力

在测试 HTTP 服务时，如果该进程我们忘记关闭，而重新尝试启动一个新的服务进程，那么将会遇到类似以下的错误信息：

  1. $ go run main.go
  2. listen tcp :8000: bind: address already in use

这是由于默认情况下，操作系统不允许我们打开具有相同源地址和端口的套接字 socket。但如果我们想开启多个服务进程去监听同一个端口，这可以吗？如果可以，这又能给我们带来什么？

socket 五元组

socket 编程是每位程序员都应该掌握的基础知识。因此，大家应该知道，socket 连接通过五元组唯一标识。任意两条连接，它的五元组不能完全相同。

  1. {<protocol>, <src addr>, <src port>, <dest addr>, <dest port>}

protocol 指的是传输层 TCP/UDP 协议，它在 socket 被创建时就已经确定。src addr/port 与 dest addr/port 分别标识着请求方与服务方的地址信息。

因此，只要请求方的 dest addr/port 信息不相同，那么服务方即使是同样的 src addr/port ，它仍然可以标识唯一的 socket 连接。

基于这个理论基础，那实际上，我们可以在同一个网络主机复用相同的 IP 地址和端口号。

Linux SO_REUSEPORT

为了满足复用端口的需求，Linux 3.9 内核引入了 SO_REUSEPORT选项（实际在此之前有一个类似的选项 SO_REUSEADDR，但它没有做到真正的端口复用，详细可见参考链接1）。

SO_REUSEPORT 支持多个进程或者线程绑定到同一端口，用于提高服务器程序的性能。它的特性包含以下几点：

  • 允许多个套接字 bind 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（same effective UID）

有了 SO_RESUEPORT 后，每个进程可以 bind 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，内核只会调度一个进程来 accept，并且保证调度的均衡性。

其工作示意图如下
image.png

有了 SO_REUSEADDR 的支持，我们不仅可以创建多个具有相同 IP:PORT 的套接字能力，而且我们还得到了一种内核模式下的负载均衡能力。

Go 如何设置 SO_REUSEPORT

Linux 经典的设计哲学：一切皆文件。当然，socket 也不例外，它也是一种文件。

如果我们想在 Go 程序中，利用上 linux 的 SO_REUSEPORT 选项，那就需要有修改内核 socket 连接选项的接口，而这可以依赖于 golang.org/x/sys/unix 库来实现，具体就在以下这个方法。

  1. import “"golang.org/x/sys/unix"”
  2. ...
  3. unix.SetsockoptInt(int(fd), unix.SOL_SOCKET, unix.SO_REUSEPORT, 1)

因此，一个持有 SO_REUSEPORT 特性的完整 Go 服务代码如下

  1. package main
  3. import (
  4.     "context"
  5.     "fmt"
  6.     "net"
  7.     "net/http"
  8.     "os"
  9.     "syscall"
  11.     "golang.org/x/sys/unix"
  12. )
  14. var lc = net.ListenConfig{
  15.     Control: func(network, address string, c syscall.RawConn) error {
  16.         var opErr error
  17.         if err := c.Control(func(fd uintptr) {
  18.             opErr = unix.SetsockoptInt(int(fd), unix.SOL_SOCKET, unix.SO_REUSEPORT, 1)
  19.         }); err != nil {
  20.             return err
  21.         }
  22.         return opErr
  23.     },
  24. }
  26. func main() {
  27.     pid := os.Getpid()
  28.     l, err := lc.Listen(context.Background(), "tcp", "127.0.0.1:8000")
  29.     if err != nil {
  30.         panic(err)
  31.     }
  32.     server := &http.Server{}
  33.     http.HandleFunc("/", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
  34.         w.WriteHeader(http.StatusOK)
  35.         fmt.Fprintf(w, "Client [%s] Received msg from Server PID: [%d] \n", r.RemoteAddr, pid)
  36.     })
  37.     fmt.Printf("Server with PID: [%d] is running \n", pid)
  38.     _ = server.Serve(l)
  39. }

我们将其编译为 linux 可执行文件 main

  1. $ CGO_ENABLED=0 GOOS=linux GOARCH=amd64 go build main.go

在 linux 主机上开启三个同时监听 8000 端口的进程，我们可以看到三个服务进程的 PID 分别是 32687 、32691 和 32697。

  1. ~ $ ./main &
  2. Server with PID: [32687] is running
  3. ~ $ ./main &
  4. Server with PID: [32691] is running
  5. ~ $ ./main &
  6. Server with PID: [32697] is running

最后，通过 curl 命令，模拟多次 http 客户端请求

  1. ~ $ for i in {1..20}; do curl localhost:8000; done
  2. Client [127.0.0.1:56876] Received msg from Server PID: [32697]
  3. Client [127.0.0.1:56880] Received msg from Server PID: [32687]
  4. Client [127.0.0.1:56884] Received msg from Server PID: [32687]
  5. Client [127.0.0.1:56888] Received msg from Server PID: [32687]
  6. Client [127.0.0.1:56892] Received msg from Server PID: [32691]
  7. Client [127.0.0.1:56896] Received msg from Server PID: [32697]
  8. Client [127.0.0.1:56900] Received msg from Server PID: [32691]
  9. Client [127.0.0.1:56904] Received msg from Server PID: [32691]
  10. Client [127.0.0.1:56908] Received msg from Server PID: [32697]
  11. Client [127.0.0.1:56912] Received msg from Server PID: [32697]
  12. Client [127.0.0.1:56916] Received msg from Server PID: [32687]
  13. Client [127.0.0.1:56920] Received msg from Server PID: [32691]
  14. Client [127.0.0.1:56924] Received msg from Server PID: [32697]
  15. Client [127.0.0.1:56928] Received msg from Server PID: [32697]
  16. Client [127.0.0.1:56932] Received msg from Server PID: [32691]
  17. Client [127.0.0.1:56936] Received msg from Server PID: [32697]
  18. Client [127.0.0.1:56940] Received msg from Server PID: [32687]
  19. Client [127.0.0.1:56944] Received msg from Server PID: [32691]
  20. Client [127.0.0.1:56948] Received msg from Server PID: [32687]
  21. Client [127.0.0.1:56952] Received msg from Server PID: [32697]

可以看到，20 个客户端请求被均衡地打到了三个服务进程上。

总结

linux 内核自 3.9 提供的 SO_REUSEPORT 选项，可以让多进程监听同一个端口。

这种机制带来了什么：

  • 提高服务器程序的吞吐性能：我们可以运行多个应用程序实例，充分利用多核 CPU 资源，避免出现单核在处理数据包，其他核却闲着的问题。
  • 内核级负载均衡：我们不需要在多个实例前面添加一层服务代理，因为内核已经提供了简单的负载均衡。
  • 不停服更新：当我们需要更新服务时，可以启动新的服务实例来接受请求，再优雅地关闭掉旧服务实例。

如果你们的 Go 项目，一到高峰期就有请求堆积问题，这个时候就可以考虑采用 SO_REUSEPORT 选项。