惊群，网络编程必须要知道的问题之一
之前就接触过惊群的概念，虽然理解，但仍然不够深入。这两天看网络编程内容时，惊群这个词又出现在眼前。
惊群
它是什么呢？怎么产生的呢？
可以先看一下这篇文章 http://blog.dothinkings.com/wp/?p=630
看完之后，惊群现象应该了解了。
网络编程
一般我们理解的网络编程是这样的，主进程bind-> listen -> accept, 将accept返回的socket用子进程处理。
还有一种情况是这样的，主进程bind -> listen -> fork， 在listen之后fork，多个子进程共享listen socket， 每个子进程都accept。这样就会产生惊群。
第一种情况下，只用一个进程去accept新连接，能够避免惊群，但是效率低下，因为这个进程只能用来accept连接。对多核机器来说，仅有一个进程去accept，这也是程序员在自己创造accept瓶颈。所以，需要多进程处理accept事件，即第二种情况。而nginx也是采用了第二种方式。那它是如何避免惊群的呢？
其实，在linux2.6内核上，accept系统调用已经不存在惊群了。但是很不幸，通常我们的程序没那么简单，不会愿意阻塞在accept调用上，我们还有许多其他网络读写事件要处理，linux下我们使用epoll解决非阻塞socket。所以，即使accept调用没有惊群了，我们也还得处理惊群这事，因为epoll有这问题。如果我们在子进程内不是阻塞调用accept，而是用epoll_wait，就会发现，新连接过来时，多个子进程都会在epoll_wait后被唤醒，然后发现自己accept失败。
下面是nginx代码分析
void
ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle)
{
。。。 。。。
//ngx_use_accept_mutex表示是否需要通过对accept加锁来解决惊群问题。当nginx worker进程数>1时且配置文件中打开accept_mutex时，这个标志置为1
if (ngx_use_accept_mutex) {
//ngx_accept_disabled表示此时满负荷，没必要再处理新连接了，我们在nginx.conf曾经配置了每一个nginx worker进程能够处理的最大连接数，当达到最大数的7/8时，ngx_accept_disabled为正，说明本nginx worker进程非常繁忙，将不再去处理新连接，这也是个简单的负载均衡
if (ngx_accept_disabled > 0) {
ngx_accept_disabled--;
} else {
//获得accept锁，多个worker仅有一个可以得到这把锁。获得锁不是阻塞过程，都是立刻返回，获取成功的话ngx_accept_mutex_held被置为1。拿到锁，意味着监听句柄被放到本进程的epoll中了，如果没有拿到锁，则监听句柄会被从epoll中取出。
if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
return;
}
//拿到锁的话，置flag为NGX_POST_EVENTS，这意味着ngx_process_events函数中，任何事件都将延后处理，会把accept事件都放到ngx_posted_accept_events链表中，epollin|epollout事件都放到ngx_posted_events链表中
if (ngx_accept_mutex_held) {
flags |= NGX_POST_EVENTS;
} else {
//拿不到锁，也就不会处理监听的句柄，这个timer实际是传给epoll_wait的超时时间，修改为最大ngx_accept_mutex_delay意味着epoll_wait更短的超时返回，以免新连接长时间没有得到处理
if (timer == NGX_TIMER_INFINITE
|| timer > ngx_accept_mutex_delay)
{
timer = ngx_accept_mutex_delay;
}
}
}
}
。。。 。。。
//linux下，调用ngx_epoll_process_events函数开始处理
(void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);
。。。 。。。
//如果ngx_posted_accept_events链表有数据，就开始accept建立新连接
if (ngx_posted_accept_events) {
ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
}
//释放锁后再处理下面的EPOLLIN EPOLLOUT请求
if (ngx_accept_mutex_held) {
ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
}
if (delta) {
ngx_event_expire_timers();
}
ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,
"posted events %p", ngx_posted_events);
//然后再处理正常的数据读写请求。因为这些请求耗时久，所以在ngx_process_events里NGX_POST_EVENTS标志将事件都放入ngx_posted_events链表中，延迟到锁释放了再处理。
if (ngx_posted_events) {
if (ngx_threaded) {
ngx_wakeup_worker_thread(cycle);
} else {
ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);
}
}
｝
从上面的注释可以看到，无论有多少个nginx worker进程，同一时刻只能有一个worker进程在自己的epoll中加入监听的句柄。这个处理accept的nginx worker进程置flag为NGX_POST_EVENTS，这样它在接下来的ngx_process_events函数（在linux中就是ngx_epoll_process_events函数）中不会立刻处理事件，延后，先处理完所有的accept事件后，释放锁，然后再处理正常的读写socket事件。我们来看下ngx_epoll_process_events是怎么做的：
static ngx_int_t
ngx_epoll_process_events(ngx_cycle_t *cycle, ngx_msec_t timer, ngx_uint_t flags)
{
。。。 。。。
events = epoll_wait(ep, event_list, (int) nevents, timer);
。。。 。。。
ngx_mutex_lock(ngx_posted_events_mutex);
for (i = 0; i < events; i++) {
c = event_list[i].data.ptr;
。。。 。。。
rev = c->read;
if ((revents & EPOLLIN) && rev->active) {
。。。 。。。
//有NGX_POST_EVENTS标志的话，就把accept事件放到ngx_posted_accept_events队列中，把正常的事件放到ngx_posted_events队列中延迟处理
if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
queue = (ngx_event_t **) (rev->accept ?
&ngx_posted_accept_events : &ngx_posted_events);
ngx_locked_post_event(rev, queue);
} else {
rev->handler(rev);
}
}
wev = c->write;
if ((revents & EPOLLOUT) && wev->active) {
。。。 。。。
//同理，有NGX_POST_EVENTS标志的话，写事件延迟处理，放到ngx_posted_events队列中
if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
ngx_locked_post_event(wev, &ngx_posted_events);
} else {
wev->handler(wev);
}
}
}
ngx_mutex_unlock(ngx_posted_events_mutex);
return NGX_OK;
}
看看ngx_use_accept_mutex在何种情况下会被打开：
if (ccf->master && ccf->worker_processes > 1 && ecf->accept_mutex) {
ngx_use_accept_mutex = 1;
ngx_accept_mutex_held = 0;
ngx_accept_mutex_delay = ecf->accept_mutex_delay;
} else {
ngx_use_accept_mutex = 0;
}
当nginx worker数量大于1时，也就是多个进程可能accept同一个监听的句柄，这时如果配置文件中accept_mutex开关打开了，就将ngx_use_accept_mutex置为1。
再看看有些负载均衡作用的ngx_accept_disabled是怎么维护的，在ngx_event_accept函数中：
ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8
- ngx_cycle->free_connection_n;
表明，当已使用的连接数占到在nginx.conf里配置的worker_connections总数的7/8以上时，ngx_accept_disabled为正，这时本worker将ngx_accept_disabled减1，而且本次不再处理新连接。
最后，我们看下ngx_trylock_accept_mutex函数是怎么玩的
ngx_int_t
ngx_trylock_accept_mutex(ngx_cycle_t *cycle)
{
//ngx_shmtx_trylock是非阻塞取锁的，返回1表示成功，0表示没取到锁
if (ngx_shmtx_trylock(&ngx_accept_mutex)) {
//ngx_enable_accept_events会把监听的句柄都塞入到本worker进程的epoll中
if (ngx_enable_accept_events(cycle) == NGX_ERROR) {
ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
return NGX_ERROR;
}
//ngx_accept_mutex_held置为1，表示拿到锁了，返回
ngx_accept_events = 0;
ngx_accept_mutex_held = 1;
return NGX_OK;
}
//处理没有拿到锁的逻辑，ngx_disable_accept_events会把监听句柄从epoll中取出
if (ngx_accept_mutex_held) {
if (ngx_disable_accept_events(cycle) == NGX_ERROR) {
return NGX_ERROR;
}
ngx_accept_mutex_held = 0;
}
return NGX_OK;
}
简单了说，就是同一时刻只允许一个nginx worker在自己的epoll中处理监听句柄。它的负载均衡也很简单，当达到最大connection的7/8时，本worker不会去试图拿accept锁，也不会去处理新连接，这样其他nginx worker进程就更有机会去处理监听句柄，建立新连接了。而且，由于timeout的设定，使得没有拿到锁的worker进程，去拿锁的频繁更高。
现有方案
除了上面的两种处理方案外，还有现在比较常见的一种方案，采用一个进程或线程去监听，使用epoll方式进行io处理，接收到连接请求后，然后将请求投递给多个worker来处理，worker是进程或线程。由于使用epoll方式，性能上可以满足网络IO需求，同时也避免了惊群现象。
