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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);
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。
3. 接收和还原
同样的，recvmsg函数，将会接收这部分数据，然后将其还原成cmsghdr结构体。然后我们就可以从cmsg_data中获取句柄列表。
为什么能这么做呢?因为socket句柄，在某个进程里，其实只是一个引用。真正的fd句柄，其实是放在内核中的。所谓的迁移，只不过是把一个指针，从一个进程中去掉，再加到另外一个进程中罢了。
fd句柄的属性，有两种情况。
- 监听fd，直接调用accept函数作用在fd上即可
- 普通fd，需要将其还原成正常的socket
图片来自论文：(Zero Downtime Release: Disruption-free Load Balancing of a Multi-Billion User Website)
对于普通fd，肯定要调用与原新连接到来时相同的代码逻辑。所以，一个大体的迁移过程，包括：
- 首先迁移listener fd到新进程，并开启监听，以便新进程能快速接收新的请求。如果我们开启了SO_REUSEADDR选项，新老服务甚至能够一起进行服务
- 等待新进程预热之后，停掉原进程的监听
- 迁移原老进程中的大量socket，这些socket可能有数万条，最好编码能看到迁移进度
- 新进程接收到这些socket，陆续将其还原为正常的连接。相当于略过了accept阶段，直接就获取了socket列表
- 迁移完毕，老进程就空转了，此时可以安全的停掉
4. End
这是一项黑科技，其实已经在一些主流的应用中使用了。你会看到一些非常眼熟的软件，这项功能是它们的一大卖点。比如HAProxy，运行在4层网络的负载均衡;比如Envoy，Istio默认的数据平面软件，使用类似的技术完成热重启。
其实，在servicemesh的推进过程中，proxy的替换，也会使用类似的技术，比如SOFA。对于golang和C语言来说，由于API暴露的比较好，这种功能可以很容易的实现;但在Java中，却有不少的困难，因为Java的跨平台特性不会做这种为Linux定制的API。
可以看到，sendmsg和recvmsg这两个函数，可以实现的功能非常的酷。它比较适合无状态的proxy服务，如果服务内有状态存留，这种迁移并不见得安全，当然也可以尝试把此项技术运用在一些中间件上。但无论如何，这种黑科技，有一种别样的暴力美，肯定会把windows server用户给馋哭的。
作者简介：小姐姐味道 (xjjdog)，一个不允许程序员走弯路的公众号。聚焦基础架构和Linux。十年架构，日百亿流量，与你探讨高并发世界，给你不一样的味道。
