黑科技解密！实现socket进程间迁移！

xjjdog

发布于 2021-07-29 11:10:19

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发布于 2021-07-29 11:10:19

文章被收录于专栏：架构专题架构专题

今天介绍一个可以拿出去吹牛的功能：实现socket句柄在进程之间迁移！为了这篇文章，xjjdog可算下了苦功夫，半夜还在翻资料。因为需要验证后，才能证明这项技术确实是正确的。

正文

我们的服务器上，运行着大量的server实例（instance）。这些instance，每个都要承载着数十万的连接和非常繁忙的网络请求。能够把这样的连接数，这样的流量，玩弄于股掌之间，是每个互联网程序员的梦想。

但软件总是要升级的，每当升级的时候，就需要先停掉原来的instance，然后再启动一个新的。在这一停一起之间，数十秒就过去了，更不要说JAVA这种启动时间就能生个孩子的速度了。

传统的做法，是先把这个instance从负载均衡上面摘除，然后启动起来再加上；对于微服务来说，就要先隔离，然后启动后再取消隔离。这些操作，对于海量应用来说，就是个噩梦。

1. 零停机更新

有没有一种方法，能够把一个进程所挂载的连接（socket），转移到另外一个进程之上呢？这样，我在升级的时候，就可可以先启动一个升级版本的进程，然后把老进程的socket，one by one的给转移过去。

实现零停机更新。

这个是可以的。Facebook就实践过类似的技术，它们把这项技术，叫做Socket Takeover。千万别用百度搜这个关键字，你得到的可能是一堆垃圾。

这么牛x的技术，还这么有用，为什么就没人科普呢？别问我，我也不知道，可能大家现在都在纠结怎么研究茴香豆的茴字写法，没时间干正事吧。

那今天就由xjjdog来介绍一下吧，顺便增加一下大家以后的吹牛资本。

这个牛x的功能，是由Linux一对底层的系统调用函数所实现的：sendmsg()和recvmsg()。我们一般在发送网络数据包的时候，一般会使用send函数，但send函数只有在socket处于连接状态时才可以使用；与之不同的是，sendmsg在任何时候都可以使用。

2. 技术要点

在c语言网络编程中，首先要通过listen函数，来注册监听地址，然后再用accept函数接收新连接。比如：

int listen_fd = socket(addr->ss_family, SOCK_STREAM, 0);
...
bind(listen_fd, (struct sockaddr *) addr, addrlen);
...
int accept_fd = accept(fd, (struct sockaddr *) &addr, &addrlen);

我们首先要做的，就是把listen_fd，从一个进程，传递到另外一个进程中去。怎么发送呢？肯定是要通过一个通道的。在Linux上，那就是UDS，全称Unix Domain Sockets。

2.1 Unix Domain Sockets监听

UDS（Unix Domain Sockets）在Linux上的表现，是一个文件。相比较于普通socket监听在端口上，一个进程也可以监听在一个UDS文件上，比如/tmp/xjjdog.sock。由于通过这个文件进行数据传输，并不需要走网卡等物理设备，所以通过UDS传输数据，速度是非常快的。

但今天我们不关心它有多块，而是关心它多有用。通过bind函数，我们同样可以通过这个文件接收连接，就像端口接收连接一样。

struct sockaddr_un addr;
char *path="/tmp/xjjdog.sock";
int err, fd;
fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));
addr.sun_family = AF_UNIX;
strncpy(addr.sun_path, path, strlen(path));
addrlen = sizeof(addr.sun_family) + strlen(path);
err = bind(fd, (struct sockaddr *) &addr, addrlen);
...
accept_fd = accept(fd, (struct sockaddr *) &addr, &addrlen);

这样。其他的进程，就可以通过两种不同的方式，来连接我们的服务。

通过端口：进行正常的服务，输出正常的业务数据。执行正常业务
通过UDS：开始接收listen_fd和accept_fd们。执行不停机迁移socket业务

2.2 fd迁移技术要点

怎么迁移呢？我们关键看第二步。

实际上，当新升级的服务通过UDS连接上来，我们就开始使用sendmsg函数，将listen_fd给转移过去。

我们来看一下sendmsg这个函数的参数。

ssize_t sendmsg(
    int socket,
    const struct msghdr *message,
    int flags
);

socket可以理解为我们的UDS连接。关键在于msghdr这个结构体。

struct msghdr {
    void            *msg_name;      /* optional address */
    socklen_t       msg_namelen;    /* size of address */
    struct          iovec *msg_iov; /* scatter/gather array */
    int             msg_iovlen;     /* # elements in msg_iov */
    void            *msg_control;   /* ancillary data, see below */
    socklen_t       msg_controllen; /* ancillary data buffer len */
    int             msg_flags;      /* flags on received message */
};

其中， msg_iov表示要正常发送的数据，比如HelloWord；除此之外，还有两个ancillary (附属的) 的变量，提供了附加的功能，那就是变量msg_control和msg_controllen。其中，msg_control又指向了另外一个结构体cmsghdr。

struct cmsghdr {
    socklen_t cmsg_len;    /* data byte count, including header */
    int       cmsg_level;  /* originating protocol */
    int       cmsg_type;   /* protocol-specific type */
    /* followed by */
    unsigned char cmsg_data[];
};

在这个结构体中，有一个叫做cmsg_type的成员变量，是我们实现socket迁移的关键。

它共有三个类型。

SCM_RIGHTS
SCM_CREDENTIALS
SCM_SECURITY

其中，SCM_RIGHTS就是我们所需要的，它允许我们从一个进程，发送一个文件句柄到另外一个进程。

struct msghdr msg;
...
struct cmsghdr *cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg);
cmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET;
cmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS;

//socket fd列表，设置在cmsg_data上
int *fds = (int *) CMSG_DATA(cmsg);

依靠sendmsg函数，socket句柄就发送到另外一个进程了。