百万 Go TCP 连接的思考: epoll方式减少资源占用
百万 Go TCP 连接的思考: epoll方式减少资源占用
原文作者：smallnest
前几天 Eran Yanay 在 Gophercon Israel 分享了一个讲座：Going Infinite, handling 1M websockets connections in Go
, 介绍了使用Go实现支持百万连接的websocket服务器，引起了很大的反响。事实上，相关的技术在2017年的一篇技术中已经介绍： A Million WebSockets and Go, 这篇2017年文章的作者Sergey Kamardin也就是 Eran Yanay 项目中使用的ws库的作者。
第一篇 百万 Go TCP 连接的思考: epoll方式减少资源占用 第二篇 百万 Go TCP 连接的思考2: 百万连接的吞吐率和延迟 第三篇 百万 Go TCP 连接的思考: 正常连接下的吞吐率和延迟
相关代码已发布到github上: 1m-go-tcp-server。
Sergey Kamardin 在 A Million WebSockets and Go 一文中介绍了epoll的使用(mailru/easygo,支持epoll on linux, kqueue onbsd, darwin), ws的zero copy的upgrade等技术。
Eran Yanay的分享中对epoll的处理做了简化，而且提供了docker测试的脚本，很方便的在单机上进行百万连接的测试。
2015年的时候我也曾作为百万连接的websocket的服务器的比较：使用四种框架分别实现百万websocket常连接的服务器 、七种WebSocket框架的性能比较。应该说，只要服务器硬件资源足够(内存和CPU), 实现百万连接的服务器并不是很难的事情，
操作系统会为每一个连接分配一定的内存空间外（主要是内部网络数据结构sk_buff的大小、连接的读写缓存，sof）,虽然这些可以进行调优，但是如果想使用正常的操作系统的TCP/IP栈的话，这些是硬性的需求。刨去这些，不同的编程语言不同的框架的设计，甚至是不同的需求场景，都会极大的影响TCP服务器内存的占用和处理。
一般Go语言的TCP(和HTTP)的处理都是每一个连接启动一个goroutine去处理，因为我们被教导goroutine的不像thread, 它是很便宜的，可以在服务器上启动成千上万的goroutine。但是对于一百万的连接，这种goroutine-per-connection的模式就至少要启动一百万个goroutine，这对资源的消耗也是极大的。针对不同的操作系统和不同的Go版本，一个goroutine锁使用的最小的栈大小是2KB ~ 8 KB (go stack),如果在每个goroutine中在分配byte buffer用以从连接中读写数据，几十G的内存轻轻松松就分配出去了。
所以Eran Yanay使用epoll的方式代替goroutine-per-connection的模式，使用一个goroutine代码一百万的goroutine, 另外使用ws减少buffer的分配，极大的减少了内存的占用，这也是大家热议的一个话题。
当然诚如作者所言，他并不是要提供一个更好的优化的websocket框架，而是演示了采用一些技术进行的优化，通过阅读他的slide和代码，我们至少有以下疑问？
－虽然支持百万连接，但是并发的吞吐率和延迟是怎样的？
－服务器实现的是单goroutine的处理，如果业务代码耗时较长会怎么样
－主要适合什么场景？
吞吐率和延迟需要数据来支撑，但是显然这个单goroutine处理的模式不适合耗时较长的业务处理，"hello world"或者直接的简单的memory操作应该没有问题。对于百万连接但是并发量很小的场景，比如消息推送、页游等场景，这种实现应该是没有问题的。但是对于并发量很大，延迟要求比较低的场景，这种实现可能会存在问题。
这篇文章和后续的两篇文章，将测试巨量连接/高并发/低延迟场景的几种服务器模式的性能，通过比较相应的连接、吞吐率、延迟，给读者一个有价值的选型参考。
作为一个更通用的测试，我们实现的是TCP服务器，而不是websocket服务器。
在实现一个TCP服务器的时候，首先你要问自己，到底你需要的是哪一个类型的服务器？当然你可能会回答，我都想要啊。但是对于一个单机服务器，资源是有限的，鱼与熊掌不可兼得，我们只能尽力挖掘单个服务器的能力，有些情况下必须通过堆服务器的方式解决，尤其在双十一、春节等时候，很大程度上都是通过扩容来解决的，这是因为单个服务器确确实实能力有限。
尽管单个服务器能力有限，不同的设计取得的性能也是不一样的，这个系列的文章测试不同的场景、不同的设计对性能的影响以及总结，主要包括：
－百万连接情况下的goroutine-per-connection模式服务器的资源占用
－百万连接情况下的epoller模式服务器的资源占用
－百万连接情况下epoller模式服务器的吞吐率和延迟
－客户端为单goroutine和多goroutine情况下epoller方式测试
－服务器为多epoller情况下的吞吐率和延迟 (百万连接)
－prefork模式的epoller服务器 (百万连接)
－Reactor模式的epoller服务器 (百万连接)
－正常连接下高吞吐服务器的性能(连接数<=5000)
－I/O密集型epoll服务器
－I/O密集型goroutine-per-connection服务器
－CPU密集型epoll服务器
－CPU密集型goroutine-per-connection服务器
零、 测试环境的搭建
我们在同一台机器上测试服务器和客户端。首先就是服务器参数的设置，主要是可以打开的文件数量。
file-max是设置系统所有进程一共可以打开的文件数量。同时程序也可以通过setrlimit调用设置每个进程的限制。
echo 2000500 > /proc/sys/fs/file-max或者 sysctl -w "fs.file-max=2000500"可以实时更改这个参数，但是重启之后会恢复为默认值。
也可以修改/etc/sysctl.conf, 加入fs.file-max = 2000500重启或者sysctl -w生效。
设置资源限制。首先修改/proc/sys/fs/nr_open,然后再用ulimit进行修改：
1echo 2000500 > /proc/sys/fs/nr_open
2ulimit -n 2000500ulimit设置当前shell以及由它启动的进程的资源限制，所以你如果打开多个shell窗口，应该都要进行设置。
当然如果你想重启以后也会使用这些参数，你需要修改/etc/sysctl.conf中的fs.nr_open参数和/etc/security/limits.conf的参数：
1# vi /etc/security/limits.conf
2* soft nofile 2000500
3* hard nofile 2000500如果你开启了iptables，iptalbes会使用nf_conntrack模块跟踪连接，而这个连接跟踪的数量是有最大值的，当跟踪的连接超过这个最大值，就会导致连接失败。 通过命令查看
1# wc -l /proc/net/nf_conntrack
2 1024000查看最大值
1# cat /proc/sys/net/nf_conntrack_max
2 1024000可以通过修改这个最大值来解决这个问题
在/etc/sysctl.conf添加内核参数 net.nf_conntrack_max = 2000500
对于我们的测试来说，为了我们的测试方便，可能需要一些网络协议栈的调优，可以根据个人的情况进行设置。
1sysctl -w fs.file-max=2000500
2sysctl -w fs.nr_open=2000500
3sysctl -w net.nf_conntrack_max=2000500
4ulimit -n 2000500
5sysctl -w net.ipv4.tcp_mem='131072 262144 524288'
6sysctl -w net.ipv4.tcp_rmem='8760 256960 4088000'
7sysctl -w net.ipv4.tcp_wmem='8760 256960 4088000'
8sysctl -w net.core.rmem_max=16384
9sysctl -w net.core.wmem_max=16384
10sysctl -w net.core.somaxconn=2048
11sysctl -w net.ipv4.tcp_max_syn_backlog=2048
12sysctl -w /proc/sys/net/core/netdev_max_backlog=2048
13sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_recycle=1
14sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_reuse=1另外，我的测试环境是是两颗 E5-2630 V4的CPU, 一共20个核，打开超线程40个逻辑核， 内存32G。
一、 简单的支持百万连接的TCP服务器
服务器
首先我们实现一个百万连接的服务器，采用每个连接一个goroutine的模式(goroutine-per-conn)。
1func main() {
2 ln, err := net.Listen("tcp", ":8972")
3 if err != nil {
4 panic(err)
5 }
6 go func() {
7 if err := http.ListenAndServe(":6060", nil); err != nil {
8 log.Fatalf("pprof failed: %v", err)
9 }
10 }()
11 var connections []net.Conn
12 defer func() {
13 for _, conn := range connections {
14 conn.Close()
15 }
16 }()
17 for {
18 conn, e := ln.Accept()
19 if e != nil {
20 if ne, ok := e.(net.Error); ok && ne.Temporary() {
21 log.Printf("accept temp err: %v", ne)
22 continue
23 }
24 log.Printf("accept err: %v", e)
25 return
26 }
27 go handleConn(conn)
28 connections = append(connections, conn)
29 if len(connections)%100 == 0 {
30 log.Printf("total number of connections: %v", len(connections))
31 }
32 }
33}
34func handleConn(conn net.Conn) {
35 io.Copy(ioutil.Discard, conn)
36}编译go build -o server server.go,然后运行./server。
客户端
客户端建立好连接后，不断的轮询每个连接，发送一个简单的hello world\n的消息。
1var (
2 ip = flag.String("ip", "127.0.0.1", "server IP")
3 connections = flag.Int("conn", 1, "number of tcp connections")
4)
5func main() {
6 flag.Parse()
7 addr := *ip + ":8972"
8 log.Printf("连接到 %s", addr)
9 var conns []net.Conn
10 for i := 0; i < *connections; i++ {
11 c, err := net.DialTimeout("tcp", addr, 10*time.Second)
12 if err != nil {
13 fmt.Println("failed to connect", i, err)
14 i--
15 continue
16 }
17 conns = append(conns, c)
18 time.Sleep(time.Millisecond)
19 }
20 defer func() {
21 for _, c := range conns {
22 c.Close()
23 }
24 }()
25 log.Printf("完成初始化 %d 连接", len(conns))
26 tts := time.Second
27 if *connections > 100 {
28 tts = time.Millisecond * 5
29 }
30 for {
31 for i := 0; i < len(conns); i++ {
32 time.Sleep(tts)
33 conn := conns[i]
34 conn.Write([]byte("hello world\r\n"))
35 }
36 }
37}因为从一个IP连接到同一个服务器的某个端口最多也只能建立65535个连接，所以直接运行客户端没办法建立百万的连接。 Eran Yanay采用docker的方法确实让人眼前一亮（我以前都是通过手工设置多个ip的方式实现，采用docker的方式更简单）。
我们使用50个docker容器做客户端，每个建立2万个连接，总共建立一百万的连接。
1./setup.sh 20000 50 172.17.0.1setup.sh内容如下，使用几M大小的alpinedocker镜像跑测试：
1#!/bin/bash address, 缺省是 172.17.0.1
2CONNECTIONS=$1
3REPLICAS=$2
4IP=$3
5#go build --tags "static netgo" -o client client.go
6for (( c=0; c<${REPLICAS}; c++ ))
7do
8 docker run -v $(pwd)/client:/client --name 1mclient_$c -d alpine /client \
9 -conn=${CONNECTIONS} -ip=${IP}
10done数据分析
使用以下工具查看性能：
－dstat：查看机器的资源占用（cpu， memory，中断数和上下文切换次数）
－ss：查看网络连接情况
－pprof：查看服务器的性能
－report.sh: 后续通过脚本查看延迟
可以看到建立连接后大约占了19G的内存，CPU占用非常小，网络传输1.4MB左右的样子。
二、 服务器epoll方式实现
和Eran Yanay最初指出的一样，上述方案使用了上百万的goroutine,耗费了太多了内存资源和调度，改为epoll模式，大大降低了内存的使用。Eran Yanay的epoll实现只针对Linux的epoll而实现，比mailru的easygo实现和使用起来要简单，我们采用他的这种实现方式。
Go的net方式在Linux也是通过epoll方式实现的，为什么我们还要再使用epoll方式进行封装呢？原因在于Go将epoll方式封装再内部，对外并没有直接提供epoll的方式来使用。好处是降低的开发的难度，保持了Go类似"同步"读写的便利型，但是对于需要大量的连接的情况，我们采用这种每个连接一个goroutine的方式占用资源太多了，所以这一节介绍的就是hack连接的文件描述符，采用epoll的方式自己管理读写。
服务器
服务器需要改造一下：
1var epoller *epoll
2func main() {
3 setLimit()
4 ln, err := net.Listen("tcp", ":8972")
5 if err != nil {
6 panic(err)
7 }
8 go func() {
9 if err := http.ListenAndServe(":6060", nil); err != nil {
10 log.Fatalf("pprof failed: %v", err)
11 }
12 }()
13 epoller, err = MkEpoll()
14 if err != nil {
15 panic(err)
16 }
17 go start()
18 for {
19 conn, e := ln.Accept()
20 if e != nil {
21 if ne, ok := e.(net.Error); ok && ne.Temporary() {
22 log.Printf("accept temp err: %v", ne)
23 continue
24 }
25 log.Printf("accept err: %v", e)
26 return
27 }
28 if err := epoller.Add(conn); err != nil {
29 log.Printf("failed to add connection %v", err)
30 conn.Close()
31 }
32 }
33}
34func start() {
35 var buf = make([]byte, 8)
36 for {
37 connections, err := epoller.Wait()
38 if err != nil {
39 log.Printf("failed to epoll wait %v", err)
40 continue
41 }
42 for _, conn := range connections {
43 if conn == nil {
44 break
45 }
46 if _, err := conn.Read(buf); err != nil {
47 if err := epoller.Remove(conn); err != nil {
48 log.Printf("failed to remove %v", err)
49 }
50 conn.Close()
51 }
52 }
53 }
54}listener还是保持原来的样子，Accept一个新的客户端请求后，就把它加入到epoll的管理中。单独起一个 gorouting监听数据到来的事件，每次只最多读取100个事件。
epoll的实现如下：
1type epoll struct {
2 fd int
3 connections map[int]net.Conn
4 lock *sync.RWMutex
5}
6func MkEpoll() (*epoll, error) {
7 fd, err := unix.EpollCreate1(0)
8 if err != nil {
9 return nil, err
10 }
11 return &epoll{
12 fd: fd,
13 lock: &sync.RWMutex{},
14 connections: make(map[int]net.Conn),
15 }, nil
16}
17func (e *epoll) Add(conn net.Conn) error {
18 // Extract file descriptor associated with the connection
19 fd := socketFD(conn)
20 err := unix.EpollCtl(e.fd, syscall.EPOLL_CTL_ADD, fd, &unix.EpollEvent{Events: unix.POLLIN | unix.POLLHUP, Fd: int32(fd)})
21 if err != nil {
22 return err
23 }
24 e.lock.Lock()
25 defer e.lock.Unlock()
26 e.connections[fd] = conn
27 if len(e.connections)%100 == 0 {
28 log.Printf("total number of connections: %v", len(e.connections))
29 }
30 return nil
31}
32func (e *epoll) Remove(conn net.Conn) error {
33 fd := socketFD(conn)
34 err := unix.EpollCtl(e.fd, syscall.EPOLL_CTL_DEL, fd, nil)
35 if err != nil {
36 return err
37 }
38 e.lock.Lock()
39 defer e.lock.Unlock()
40 delete(e.connections, fd)
41 if len(e.connections)%100 == 0 {
42 log.Printf("total number of connections: %v", len(e.connections))
43 }
44 return nil
45}
46func (e *epoll) Wait() ([]net.Conn, error) {
47 events := make([]unix.EpollEvent, 100)
48 n, err := unix.EpollWait(e.fd, events, 100)
49 if err != nil {
50 return nil, err
51 }
52 e.lock.RLock()
53 defer e.lock.RUnlock()
54 var connections []net.Conn
55 for i := 0; i < n; i++ {
56 conn := e.connections[int(events[i].Fd)]
57 connections = append(connections, conn)
58 }
59 return connections, nil
60}
61func socketFD(conn net.Conn) int {
62 //tls := reflect.TypeOf(conn.UnderlyingConn()) == reflect.TypeOf(&tls.Conn{})
63 // Extract the file descriptor associated with the connection
64 //connVal := reflect.Indirect(reflect.ValueOf(conn)).FieldByName("conn").Elem()
65 tcpConn := reflect.Indirect(reflect.ValueOf(conn)).FieldByName("conn")
66 //if tls {
67 // tcpConn = reflect.Indirect(tcpConn.Elem())
68 //}
69 fdVal := tcpConn.FieldByName("fd")
70 pfdVal := reflect.Indirect(fdVal).FieldByName("pfd")
71 return int(pfdVal.FieldByName("Sysfd").Int())
72}客户端
还是运行上面的客户端，因为刚才已经建立了50个客户端的容器，我们需要先把他们删除：
1docker rm -vf $(docker ps -a --format '{ {.ID} } { {.Names} }'|grep '1mclient_' |awk '{print $1}')然后再启动50个客户端，每个客户端2万个连接进行进行测试
1./setup.sh 20000 50 172.17.0.1数据分析
使用以下工具查看性能：
－dstat：查看机器的资源占用（cpu， memory，中断数和上下文切换次数）
－ss：查看网络连接情况
－pprof：查看服务器的性能
－report.sh: 后续通过脚本查看延迟
可以看到建立连接后大约占了10G的内存，CPU占用非常小。
有一个专门使用epoll实现的网络库tidwall/evio,可以专门开发epoll方式的网络程序。去年阿里中间件大赛，美团的王亚普使用evio库杀入到排行榜第五名，也是前五中唯一一个使用Go实现的代码，其它使用Go标准库实现的代码并没有达到6983 tps/s 的程序，这也说明了再一些场景下采用epoll方式也能带来性能的提升。（天池中间件大赛Golang版Service Mesh思路分享）
但是也正如evio作者所说，evio并不能提到Go标准net库，它只使用特定的场景, 实现redis/haproxy等proxy。因为它是单goroutine处理处理的，或者你可以实现多goroutine的event-loop,但是针对一些I/O或者计算耗时的场景，未必能展现出它的优势出来。
我们知道Redis的实现是单线程的，正如作者Clarifications about Redis and Memcached介绍的，Redis主要是内存中的数据操作，单线程根本不是瓶颈(持久化是独立线程)我们后续的测试也会印证这一点。所以epoll I/O dispatcher之后是采用单线程还是Reactor模式(多线程事件处理)还是看具体的业务。
下一篇文章我们会继续测试百万连接情况下的吞吐率和延迟，这是上面的两篇文章所没有提到的。
参考
- https://mrotaru.wordpress.com/2013/10/10/scaling-to-12-million-concurrent-connections-how-migratorydata-did-it/
- https://stackoverflow.com/questions/22090229/how-did-whatsapp-achieve-2-million-connections-per-server
- https://github.com/eranyanay/1m-go-websockets
- https://medium.freecodecamp.org/million-websockets-and-go-cc58418460bb
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