多线程多进程编程：多线程或多进程
多线程多进程编程：多线程或多进程可以看到，4个线程都在运行，并且accept，但是当连接来的时候，只有个线程能得到事件。#include <netinet/in.h> #include <iostream> #include <sys/epoll.h> #include <IOstream> #include <thread> #include <mutex> #include <condition_variable> #define WORKER_THREAD 4 //创建socket，并返回fd int createSocket() { int fd = socket(AF_INET SOCK_STREAM IPPROTO_TCP); if (fd < 0) { std::cout <
简单说，惊群是因为多进程（多线程）在同时阻塞等待同一个事件的时候（休眠状态），当时间发生时，就会唤醒所有等待的（休眠的）进程（线程）。但是事件只能被一个进程或线程处理，而其他进程（线程）获取失败，只能重新进入休眠状态，这种现象和性能浪费就叫做惊群。
产生惊群的条件- 多个进程或者多个线程
- 同时等待处理一个事件
测试环境 :
- debian11
- 内核5.10.0-8
- 编译器 clang11
多线程和多进程在惊群问题上差不多，为了少些一点，下文中没有特殊说明，多线程 也包含了多进程
在linux中，使用C/C 编写 tcp server时，会依次调用 socket() bind() listen() Accept() 这几个函数，这几个函数会打开socket，绑定ip和端口，开始监听端口，accept函数会阻塞当前进程，等待客户端连接。
如果在单线程中，只有一个accept函数在等待客户端连接，当客户端来连接的时候，只会有一个accept函数来处理，所以也不会存在惊群问题了。
在多线模型中，多个线程分别accept同一个socket，当有客户端连接时，内核会通知所有的线程来处理这个请求，但是呢，请求只能被一个线程处理，其他的线程的不到这个事件，只能白白被唤醒。
这是最简单的一种惊群，这种情况在linux2.6以后就不会产生了。因为在Linux 2.6 版本之后，通过引入一个标记位 WQ_FLAG_EXCLUSIVE，解决掉了 Accept 惊群效应。我原本还想在centos3.9（内核版本是2.5）中去复现这种情况，但是折腾了好久，也没能在centos上编译也运行C 程序，遂放弃。 不废话了，上代码，测试第一种情况
#include <netinet/in.h>
#include <iostream>
#include <sys/epoll.h>
#include <IOstream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#define WORKER_THREAD 4
//创建socket，并返回fd
int createSocket() {
int fd = socket(AF_INET SOCK_STREAM IPPROTO_TCP);
if (fd < 0) {
std::cout << "create socket error" << std::endl;
return 0;
}
sockaddr_in sockAddr{};
sockAddr.sin_port = htons(PORT);
sockAddr.sin_family = AF_INET;
sockAddr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
if (bind(fd (sockaddr *) &sockAddr sizeof(sockAddr)) < 0) {
std::cout << "bind socket error port:" << PORT << std::endl;
return 0;
}
if (listen(fd 100) < 0) {
std::cout << "listen port error" << std::endl;
return 0;
}
return fd;
}
void Worker1(int socketFd int k) {
std::cout << " Worker" << k << " run " << std::endl;
while (true) {
int tfd = 0;
sockaddr_in cli_addr{};
socklen_t length = sizeof(cli_addr);
std::cout << "worker" << k << " in " << std::endl;
tfd = accept(socketFd (sockaddr *) &cli_addr &length);
if (tfd <= 0) {
std::cout << "accept error" << std::endl;
return;
} else {
std::cout << "worker" << k << " accept " << std::endl;
}
}
}
int main() {
std::mutex mutex;
std::unique_lock<std::mutex> lck(mutex);
std::condition_variable cv;
int fd = createSocket();
//第一种 多个线程不使用多路复用 accept同一个socket
for (int i = 0; i < WORKER_THREAD; i) {
std::thread th(&Worker1 fd i 1);
th.detach();
}
cv.wait(lck);
return 0;
}
这代码可以用C写，但是习惯用C 了，就用C 写吧。代码也比较简单，createSocket()创建了一个socket，然后4个线程分别去accept这个socket。 下面是运行结果：
可以看到，4个线程都在运行，并且accept，但是当连接来的时候，只有个线程能得到事件。
既然linux内核已经帮我们处理了惊群，那我们还考虑这些干啥，直接用不就完了。
但是，我们在写代码的时候一般不会直接阻塞accept的，都是使用多路复用来帮我们处理连接阻塞的是多路复用函数。目前综合性能比较好的IO多路复用是EPOLL。当在多线程中使用epoll时，惊群问题就会出现了。 先代码和结果，然后再解释
#include <netinet/in.h>
#include <iostream>
#include <sys/epoll.h>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#define WORKER_THREAD 4
//创建socket，并返回fd
int createSocket() {
int fd = socket(AF_INET SOCK_STREAM IPPROTO_TCP);
if (fd < 0) {
std::cout << "create socket error" << std::endl;
return 0;
}
sockaddr_in sockAddr{};
sockAddr.sin_port = htons(PORT);
sockAddr.sin_family = AF_INET;
sockAddr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
if (bind(fd (sockaddr *) &sockAddr sizeof(sockAddr)) < 0) {
std::cout << "bind socket error port:" << PORT << std::endl;
return 0;
}
if (listen(fd 100) < 0) {
std::cout << "listen port error" << std::endl;
return 0;
}
return fd;
}
void Worker2(int socketFd int k) {
std::cout << " Worker" << k << " run " << std::endl;
int eFd = epoll_create(1);
if (eFd < 0) {
std::cout << "create epoll fail";
return;
}
epoll_event epev_{};
epev_.events = EPOLLIN;
epev_.data.fd = socketFd;
epoll_ctl(eFd EPOLL_CTL_ADD socketFd &epev_);
epoll_event events[EVENT_NUM];
while (true) {
int eNum = epoll_wait(eFd events EVENT_NUM -1);
if (eNum == -1) {
std::cout << "epoll error";
return;
}
//一定要加上这句 防止事件被瞬间处理 导致看不到结果
std::this_thread::sleep_for((std::chrono::seconds (1)));
std::cout << "worker" << k << " in " << std::endl;
for (int i = 0; i < eNum; i) {
if (events[i].data.fd == socketFd) {
int tfd = 0;
sockaddr_in cli_addr{};
socklen_t length = sizeof(cli_addr);
tfd = accept(socketFd (sockaddr *) &cli_addr &length);
if (tfd <= 0) {
std::cout << "accept error" << std::endl;
} else {
std::cout << "worker" << k << " accept " << std::endl;
}
} else {
//处理正常的socket读写事件 这里可以忽略 不是这次关注的点
}
}
}
}
int main() {
std::mutex mutex;
std::unique_lock<std::mutex> lck(mutex);
std::condition_variable cv;
int fd = createSocket();
//第二种 多个线程使用epoll多路复用 accept同一个socket
for (int i = 0; i < WORKER_THREAD; i) {
std::thread th(&Worker2 fd i 1);
th.detach();
}
}
结果
这里可以看到，当有客户端来连接的时候，4个线程都被唤醒了，但是只有workr2 线程成功获取了事件，其余的3个线程都白白唤醒浪费了性能
情景下的惊群问题，第二种情景下的惊群问题为啥就不处理了呢？
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我的猜想不一定正确，如果有错误，请指出：
accept 只能是被一个进程调用成功（连接事件只会处理一次嘛），所以内核就直接处理了（一个accept只会唤醒一个进程）。但 epoll 不一样，epoll中管理了很多连接，不止socket这一个，除了可能后续被 accept 调用外，还有可能是其他网络 IO 事件的，而其他 IO 事件是否只能由一个进程处理，是不一定的，这是一个由用户决定的事情，例如可能一个文件会由多个进程来读写。所以，对 epoll 默认对于多进程监听同一文件不会设置互斥，所以就导致了epoll惊群问题。
在linux4.5内核之后给epoll添加了一个 EPOLLEXCLUSIVE的标志位，如果设置了这个标志位，那epoll将进程挂到等待队列时将会设置一下互斥标志位，这时实现跟内核原生accept一样的特性，只会唤醒队列中的一个进程。
修改一下worker2函数:
void Worker2(int socketFd int k) {
std::cout << " Worker" << k << " run " << std::endl;
int eFd = epoll_create(1);
if (eFd < 0) {
std::cout << "create epoll fail";
return;
}
epoll_event epev_{};
//给epoll加上 互斥标志
epev_.events = EPOLLIN | EPOLLEXCLUSIVE;
epev_.data.fd = socketFd;
epoll_ctl(eFd EPOLL_CTL_ADD socketFd &epev_);
epoll_event events[EVENT_NUM];
while (true) {
int eNum = epoll_wait(eFd events EVENT_NUM -1);
if (eNum == -1) {
std::cout << "epoll error";
return;
}
//一定要加上这句 防止事件被瞬间处理 导致看不到结果
std::this_thread::sleep_for((std::chrono::seconds(1)));
std::cout << "worker" << k << " in " << std::endl;
for (int i = 0; i < eNum; i) {
if (events[i].data.fd == socketFd) {
int tfd = 0;
sockaddr_in cli_addr{};
socklen_t length = sizeof(cli_addr);
tfd = accept(socketFd (sockaddr *) &cli_addr &length);
if (tfd <= 0) {
std::cout << "accept error" << std::endl;
} else {
std::cout << "worker" << k << " accept " << std::endl;
}
} else {
//处理正常的socket读写事件 这里可以忽略 不是这次关注的点
}
}
}
}
现在来测试一下
现在的epoll已经不会有惊群问题了
另一种方式其实解决多线程使用epoll等多路复用导致的惊群问题，还有一个更彻底解决方法，让每个线程分别打开一个socket，并且这些socket绑定在同一个端口，然后accept这个socket。这就像第一种情景那样，内核直接帮我们做了惊群处理。这里会使用到 linux 3.9后 socket提供SO_REUSEPORT标志。使用这个标志后，会允许多个socket绑定和监听同一个端口。 代码如下
#include <netinet/in.h>
#include <iostream>
#include <sys/epoll.h>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#define WORKER_THREAD 4
//创建socket，并返回fd
int createSocket2() {
int fd = socket(AF_INET SOCK_STREAM IPPROTO_TCP);
if (fd == -1) {
std::cout << "create socket error" << std::endl;
return 0;
}
int on = 1;
if (setsockopt(fd SOL_SOCKET SO_REUSEPORT (const void *) &on sizeof(on)) < 0) {
std::cout << "set opt error ret:" << std::endl;
}
sockaddr_in sockAddr{};
sockAddr.sin_port = htons(PORT);
sockAddr.sin_family = AF_INET;
sockAddr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
if (bind(fd (sockaddr *) &sockAddr sizeof(sockAddr)) < 0) {
std::cout << "bind socket error port:" << PORT << std::endl;
return 0;
}
if (listen(fd 100) < 0) {
std::cout << "listen port error" << std::endl;
return 0;
}
return fd;
}
void Worker3(int k) {
std::cout << " Worker" << k << " run " << std::endl;
int socketFd = createSocket2();
int eFd = epoll_create(1);
if (eFd == -1) {
std::cout << "create epoll fail" << std::endl;
return;
}
epoll_event epev_{};
epev_.events = EPOLLIN;
epev_.data.fd = socketFd;
epoll_ctl(eFd EPOLL_CTL_ADD socketFd &epev_);
epoll_event events[EVENT_NUM];
while (true) {
int eNum = epoll_wait(eFd events EVENT_NUM -1);
if (eNum == -1) {
std::cout << "epoll error" << std::endl;
return;
}
std::this_thread::sleep_for((std::chrono::seconds(1)));
std::cout << "worker" << k << " in " << std::endl;
for (int i = 0; i < eNum; i) {
if (events[i].data.fd == socketFd) {
int tfd = 0;
sockaddr_in cli_addr{};
socklen_t length = sizeof(cli_addr);
tfd = accept(socketFd (sockaddr *) &cli_addr &length);
if (tfd <= 0) {
std::cout << "accept error" << std::endl;
} else {
std::cout << "worker" << k << " accept " << std::endl;
}
} else {
//处理正常的socket读写事件
}
}
}
}
int main() {
std::mutex mutex;
std::unique_lock<std::mutex> lck(mutex);
std::condition_variable cv;
//第三种 多个线程使用epoll多路复用 每个线程分别bind listen 同一个端口 accept各自的socket
for (int i = 0; i < WORKER_THREAD; i) {
std::thread th(&Worker3 i 1);
th.detach();
}
cv.wait(lck);
return 0;
}
结果
也是没有问题的，多个连接来的时候，只会有一个线程被唤醒，相当于在内核级别中实现了一个负载均衡
总结简单总结一下，当多个线程或者进程同时阻塞同一个事件的时候，会出现惊群现象，如果不适用epoll等多路复用技术，在linux2.6 以后内核已经帮我们处理了惊群问题。
如果使用了epoll，就需要额外处理epoll导致的惊群问题，有两种方式
- linux4.5内核之后，epoll有一个EPOLLEXCLUSIVE特性，可以防止epoll惊群出现
- linux 3.9内核之后给 socket 提供SO_REUSEPORT特性，可以允许多个socket绑定在同一个端口上，相当于每个线程都有一个socket，在处理accept时，内核会自动处理惊群问题
1和2两种方式都能有效解决惊群问题，但是目前使用 socket的 SO_REUSEPORT 是最好的方式.。
我通过查资料得到 EPOLLEXCLUSIVE 标识会保证一个事件发生时候只有一个线程会被唤醒，来避免多惊群问题。不过任一时候只能有一个Worker调用 accept，限制了真正并行的吞吐量。 这个有待验证，小伙伴有时间可以去深入了解一下。
