從 Linux 源碼看 Socket-TCP- 的 listen 及連接隊列

前言

筆者一直覺得如果能知道從應用到框架再到操作系統的每一處代碼，是一件 Exciting 的事情。今天筆者就來從 Linux 源碼的角度看下 Server 端的 Socket 在進行 listen 的時候到底做了哪些事情 (基於 Linux 3.10 內核)，當然由於 listen 的 backlog 參數和半連接 hash 表以及全連接隊列都相關，在這一篇博客裏也一塊講了。

Server 端 Socket 需要 Listen

衆所周知，一個 Server 端 Socket 的建立，需要 socket、bind、listen、accept 四個步驟。今天筆者就聚焦於 Listen 這個步驟。
代碼如下:

void start_server(){
    // server fd
    int sockfd_server;
    // accept fd 
    int sockfd;
    int call_err;
    struct sockaddr_in sock_addr;
  ......
    call_err=bind(sockfd_server,(struct sockaddr*)(&sock_addr),sizeof(sock_addr));
    if(call_err == -1){
        fprintf(stdout,"bind error!\n");
        exit(1);
    }
    // 這邊就是我們今天的聚焦點listen
    call_err=listen(sockfd_server,MAX_BACK_LOG);
    if(call_err == -1){
        fprintf(stdout,"listen error!\n");
        exit(1);
    }
}

首先我們通過 socket 系統調用創建了一個 socket，其中指定了 SOCK_STREAM, 而且最後一個參數爲 0，也就是建立了一個通常所有的 TCP Socket。在這裏，我們直接給出 TCP Socket 所對應的 ops 也就是操作函數。
如果你想知道上圖中的結構是怎麼來的，可以看下筆者以前的博客:

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/1791017

Listen 系統調用

好了，現在我們直接進入 Listen 系統調用吧。

#include <sys/socket.h>
// 成功返回0,錯誤返回-1,同時錯誤碼設置在errno
int listen(int sockfd, int backlog);

注意，這邊的 listen 調用是被 glibc 的 INLINE_SYSCALL 裝過一層，其將返回值修正爲只有 0 和 - 1 這兩個選擇，同時將錯誤碼的絕對值設置在 errno 內。這裏面的 backlog 是個非常重要的參數，如果設置不好，是個很隱蔽的坑。
對於 java 開發者而言，基本用的現成的框架，而 java 本身默認的 backlog 設置大小隻有 50。這就會引起一些微妙的現象，這個在本文中會進行講解。
接下來，我們就進入 Linux 內核源碼棧吧

listen
 |->INLINE_SYSCALL(listen......)
  |->SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)
   /* 檢測對應的描述符fd是否存在，不存在，返回-BADF
   |->sockfd_lookup_light
   /* 限定傳過來的backlog最大值不超出 /proc/sys/net/core/somaxconn
   |->if ((unsigned int)backlog > somaxconn) backlog = somaxconn
   |->sock->ops->listen(sock, backlog) <=> inet_listen

值得注意的是，Kernel 對於我們傳進來的 backlog 值做了一次調整，讓其無法 > 內核參數設置中的 somaxconn。

inet_listen

接下來就是核心調用程序 inet_listen 了。

int inet_listen(struct socket *sock, int backlog)
{

 /* Really, if the socket is already in listen state
  * we can only allow the backlog to be adjusted.
  *if ((sysctl_tcp_fastopen & TFO_SERVER_ENABLE) != 0 &&
      inet_csk(sk)->icsk_accept_queue.fastopenq == NULL) {
      // fastopen的邏輯
   if ((sysctl_tcp_fastopen & TFO_SERVER_WO_SOCKOPT1) != 0)
    err = fastopen_init_queue(sk, backlog);
   else if ((sysctl_tcp_fastopen &
      TFO_SERVER_WO_SOCKOPT2) != 0)
    err = fastopen_init_queue(sk,
        ((uint)sysctl_tcp_fastopen) >> 16);
   else
    err = 0;
   if (err)
    goto out;
  }
 if(old_state != TCP_LISTEN) {
 
  err = inet_csk_listen_start(sk, backlog);
 }
 sk->sk_max_ack_backlog =backlog;
 ......
}

從這段代碼中，第一個有意思的地方就是, listen 這個系統調用可以重複調用！第二次調用的時候僅僅只能修改其 backlog 隊列長度 (雖然感覺沒啥必要)。
首先，我們看下除 fastopen 之外的邏輯 (fastopen 以後開單章詳細討論)。也就是最後的 inet_csk_listen_start 調用。

int inet_csk_listen_start(struct sock *sk, const int nr_table_entries)
{
 ......
 // 這裏的nr_table_entries即爲調整過後的backlog
 // 但是在此函數內部會進一步將nr_table_entries = min(backlog,sysctl_max_syn_backlog)這個邏輯
 int rc = reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue, nr_table_entries);
 ......
 inet_csk_delack_init(sk);
 // 設置socket爲listen狀態
 sk->sk_state = TCP_LISTEN;
 // 檢查端口號
 if (!sk->sk_prot->get_port(sk, inet->inet_num)){
  // 清除掉dst cache
  sk_dst_reset(sk);
  // 將當前sock鏈入listening_hash
  // 這樣，當SYN到來的時候就能通過__inet_lookup_listen函數找到這個listen中的sock
  sk->sk_prot->hash(sk);
 }
 sk->sk_state = TCP_CLOSE;
 __reqsk_queue_destroy(&icsk->icsk_accept_queue);
 // 端口已經被佔用，返回錯誤碼-EADDRINUSE
 return -EADDRINUSE;
}

這裏最重要的一個調用 sk->sk_prot->hash(sk), 也就是 inet_hash, 其將當前 sock 鏈入全局的 listen hash 表，這樣就可以在 SYN 包到來的時候尋找到對應的 listen sock 了。如下圖所示:
如圖中所示，如果開啓了 SO_REUSEPORT 的話，可以讓不同的 Socket listen(監聽) 同一個端口，這樣就能在內核進行創建連接的負載均衡。在 Nginx 1.9.1 版本開啓了之後，其壓測性能達到 3 倍!

半連接隊列 hash 表和全連接隊列

在筆者一開始翻閱的資料裏面, 都提到。tcp 的連接隊列有兩個，一個是 sync_queue, 另一個 accept_queue。但筆者仔細閱讀了一下源碼，其實並非如此。事實上，sync_queue 其實是個 hash 表 (syn_table)。另一個隊列是 icsk_accept_queue。

所以在本篇文章裏面，將其稱爲 reqsk_queue(request_socket_queue 的簡稱)。在這裏，筆者先給出這兩個 queue 在三次握手時候的出現時機。如下圖所示:
當然了，除了上面提到的 qlen 和 sk_ack_backlog 這兩個計數器之外，還有一個 qlen_young, 其作用如下:

qlen_young: 
記錄的是剛有SYN到達，
沒有被SYN_ACK重傳定時器重傳過SYN_ACK
同時也沒有完成過三次握手的sock數量

如下圖所示:
至於 SYN_ACK 的重傳定時器在內核中的代碼爲下面所示:

static void tcp_synack_timer(struct sock *sk)
{
 inet_csk_reqsk_queue_prune(sk, TCP_SYNQ_INTERVAL,
       TCP_TIMEOUT_INIT, TCP_RTO_MAX);
}

這個定時器在半連接隊列不爲空的情況下，以 200ms(TCP_SYNQ_INTERVAL) 爲間隔運行一次。限於篇幅，筆者就在這裏不多討論了。

爲什麼要存在半連接隊列

因爲根據 TCP 協議的特點，會存在半連接這樣的網絡攻擊存在，即不停的發 SYN 包，而從不迴應 SYN_ACK。如果發一個 SYN 包就讓 Kernel 建立一個消耗極大的 sock，那麼很容易就內存耗盡。所以內核在三次握手成功之前，只分配一個佔用內存極小的 request_sock，以防止這種攻擊的現象，再配合 syn_cookie 機制，儘量抵禦這種半連接攻擊的風險。

半連接 hash 表和全連接隊列的限制

由於全連接隊列裏面保存的是佔用內存很大的普通 sock，所以 Kernel 給其加了一個最大長度的限制。這個限制爲:

下面三者中的最小值
1.listen系統調用中傳進去的backlog
2./proc/sys/inet/ipv4/tcp_max_syn_backlog
3./proc/sys/net/core/somaxconn 
即min(backlog,tcp_ma_syn_backlog,somaxcon)

如果超過這個 somaxconn 會被內核丟棄，如下圖所示:
這種情況的連接丟棄會發生比較詭異的現象。在不設置 tcp_abort_on_overflow 的時候, client 端無法感知，就會導致即在第一筆調用的時候纔會知道對端連接丟棄了。
那麼，怎麼讓 client 端在這種情況下感知呢，我們可以設置一下 tcp_abort_on_overflow

echo '1' > tcp_abort_on_overflow

設置後，如下圖所示:
當然了，最直接的還是調大 backlog!

listen(fd,2048)
echo '2048' > /proc/sys/inet/ipv4/tcp_max_syn_backlog
echo '2048' > /proc/sys/net/core/somaxconn

backlog 對半連接隊列的影響

這個 backlog 對半連接隊列也有影響，如下代碼所示:

 /* TW buckets are converted to open requests without
  * limitations, they conserve resources and peer is
  * evidently real one.
  */
 // 在開啓SYN cookie的情況下，如果半連接隊列長度超過backlog，則發送cookie
 // 否則丟棄
 if (inet_csk_reqsk_queue_is_full(sk) && !isn) {
  want_cookie = tcp_syn_flood_action(sk, skb, "TCP");
  if (!want_cookie)
   goto drop;
 }

 /* Accept backlog is full. If we have already queued enough
  * of warm entries in syn queue, drop request. It is better than
  * clogging syn queue with openreqs with exponentially increasing
  * timeout.
  */
 // 在全連接隊列滿的情況下，如果有young_ack，那麼直接丟棄
 if (sk_acceptq_is_full(sk) && inet_csk_reqsk_queue_young(sk) > 1) {
  NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_LISTENOVERFLOWS);
  goto drop;
 }

我們在 dmesg 裏面經常看到的

Possible SYN flooding on port 8080

就是由於半連接隊列滿以後，Kernel 發送 cookie 校驗而導致。

總結

TCP 作爲一個古老而又流行的協議，在演化了幾十年後，其設計變的相當複雜。從而在出問題的時候變的難於分析，這時候就要 reading the fucking source code! 而筆者也正是寫這篇博客而詳細閱讀源碼的時候偶然間靈光一閃，找到了最近一個詭異問題的根因。這個詭異問題的分析過程將會在近期寫出來分享給大家。
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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/yP8FsGbRvl_oWBH1vX8EOA

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