Golang开发支持平滑升级(优雅重启)的HTTP服务

原文链接：http://tabalt.net/blog/gracef…
Golang支持平滑升级（优雅重启）的包已开源到Github：https://github.com/tabalt/gracehttp，欢迎使用和贡献代码。

前段时间用Golang在做一个HTTP的接口，因编译型语言的特性，修改了代码需要重新编译可执行文件，关闭正在运行的老程序，并启动新程序。对于访问量较大的面向用户的产品，关闭、重启的过程中势必会出现无法访问的情况，从而影响用户体验。

使用Golang的系统包开发HTTP服务，是无法支持平滑升级（优雅重启）的，本文将探讨如何解决该问题。

一、平滑升级（优雅重启）的一般思路

一般情况下，要实现平滑升级，需要以下几个步骤：

用新的可执行文件替换老的可执行文件（如只需优雅重启，可以跳过这一步）
通过pid给正在运行的老进程发送特定的信号（kill -SIGUSR2 $pid）
正在运行的老进程，接收到指定的信号后，以子进程的方式启动新的可执行文件并开始处理新请求
老进程不再接受新的请求，等待未完成的服务处理完毕，然后正常结束
新进程在父进程退出后，会被init进程领养，并继续提供服务

二、Golang Socket 网络编程

Socket是程序员层面上对传输层协议TCP/IP的封装和应用。Golang中Socket相关的函数与结构体定义在net包中，我们从一个简单的例子来学习一下Golang Socket 网络编程，关键说明直接写在注释中。

1、服务端程序 server.go

package main
import (
    "fmt"
    "log"
    "net"
    "time"
)
func main() {
    // 监听8086端口
    listener, err := net.Listen("tcp", ":8086")
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    defer listener.Close()
    for {
        // 循环接收客户端的连接，没有连接时会阻塞，出错则跳出循环
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println(err)
            break
        }
        fmt.Println("[server] accept new connection.")
        // 启动一个goroutine 处理连接
        go handler(conn)
    }
}
func handler(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()
    for {
        // 循环从连接中 读取请求内容，没有请求时会阻塞，出错则跳出循环
        request := make([]byte, 128)
        readLength, err := conn.Read(request)
        if err != nil {
            fmt.Println(err)
            break
        }
        if readLength == 0 {
            fmt.Println(err)
            break
        }
        // 控制台输出读取到的请求内容，并在请求内容前加上hello和时间后向客户端输出
        fmt.Println("[server] request from ", string(request))
        conn.Write([]byte("hello " + string(request) + ", time: " + time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05")))
    }
}

2、客户端程序 client.go

package main
import (
    "fmt"
    "log"
    "net"
    "os"
    "time"
)
func main() {
    // 从命令行中读取第二个参数作为名字，如果不存在第二个参数则报错退出
    if len(os.Args) != 2 {
        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s name ", os.Args[0])
        os.Exit(1)
    }
    name := os.Args[1]
    // 连接到服务端的8086端口
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8086")
    checkError(err)
    for {
        // 循环往连接中 写入名字
        _, err = conn.Write([]byte(name))
        checkError(err)
        // 循环从连接中 读取响应内容，没有响应时会阻塞
        response := make([]byte, 256)
        readLength, err := conn.Read(response)
        checkError(err)
        // 将读取响应内容输出到控制台，并sleep一秒
        if readLength > 0 {
            fmt.Println("[client] server response:", string(response))
            time.Sleep(1 * time.Second)
        }
    }
}
func checkError(err error) {
    if err != nil {
        log.Fatal("fatal error: " + err.Error())
    }
}

3、运行示例程序

# 运行服务端程序
go run server.go
# 在另一个命令行窗口运行客户端程序
go run client.go "tabalt"

三、Golang HTTP 编程

HTTP是基于传输层协议TCP/IP的应用层协议。Golang中HTTP相关的实现在net/http包中，直接用到了net包中Socket相关的函数和结构体。

我们再从一个简单的例子来学习一下Golang HTTP 编程，关键说明直接写在注释中。

1、http服务程序 http.go

package main
import (
    "log"
    "net/http"
    "os"
)
// 定义http请求的处理方法
func handlerHello(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    w.Write([]byte("http hello on golang\n"))
}
func main() {
    // 注册http请求的处理方法
    http.HandleFunc("/hello", handlerHello)
    // 在8086端口启动http服务，会一直阻塞执行
    err := http.ListenAndServe("localhost:8086", nil)
    if err != nil {
        log.Println(err)
    }
    // http服务因故停止后 才会输出如下内容
    log.Println("Server on 8086 stopped")
    os.Exit(0)
}

2、运行示例程序

# 运行HTTP服务程序
go run http.go
# 在另一个命令行窗口curl请求测试页面
curl http://localhost:8086/hello/
# 输出如下内容：
http hello on golang

四、Golang net/http包中 Socket操作的实现

从上面的简单示例中，我们看到在Golang中要启动一个http服务，只需要简单的三步：

定义http请求的处理方法
注册http请求的处理方法
在某个端口启动HTTP服务

而最关键的启动http服务，是调用http.ListenAndServe()函数实现的。下面我们找到该函数的实现：

func ListenAndServe(addr string, handler Handler) error {
    server := &Server{Addr: addr, Handler: handler}
    return server.ListenAndServe()
}

这里创建了一个Server的对象，并调用它的ListenAndServe()方法，我们再找到结构体Server的ListenAndServe()方法的实现：

func (srv *Server) ListenAndServe() error {
    addr := srv.Addr
    if addr == "" {
        addr = ":http"
    }
    ln, err := net.Listen("tcp", addr)
    if err != nil {
        return err
    }
    return srv.Serve(tcpKeepAliveListener{ln.(*net.TCPListener)})
}

从代码上看到，这里监听了tcp端口，并将监听者包装成了一个结构体 tcpKeepAliveListener，再调用srv.Serve()方法；我们继续跟踪Serve()方法的实现：

func (srv *Server) Serve(l net.Listener) error {
    defer l.Close()
    var tempDelay time.Duration // how long to sleep on accept failure
    for {
        rw, e := l.Accept()
        if e != nil {
            if ne, ok := e.(net.Error); ok && ne.Temporary() {
                if tempDelay == 0 {
                    tempDelay = 5 * time.Millisecond
                } else {
                    tempDelay *= 2
                }
                if max := 1 * time.Second; tempDelay > max {
                    tempDelay = max
                }
                srv.logf("http: Accept error: %v; retrying in %v", e, tempDelay)
                time.Sleep(tempDelay)
                continue
            }
            return e
        }
        tempDelay = 0
        c, err := srv.newConn(rw)
        if err != nil {
            continue
        }
        c.setState(c.rwc, StateNew) // before Serve can return
        go c.serve()
    }
}

可以看到，和我们前面Socket编程的示例代码一样，循环从监听的端口上Accept连接，如果返回了一个net.Error并且这个错误是临时性的，则会sleep一个时间再继续。如果返回了其他错误则会终止循环。成功Accept到一个连接后，调用了方法srv.newConn()对连接做了一层包装，最后启了一个goroutine处理http请求。

五、Golang 平滑升级（优雅重启）HTTP服务的实现

我创建了一个新的包gracehttp来实现支持平滑升级（优雅重启）的HTTP服务，为了少写代码和降低使用成本，新的包尽可能多地利用net/http包的实现，并和net/http包保持一致的对外方法。现在开始我们来看gracehttp包支持平滑升级（优雅重启）Golang HTTP服务涉及到的细节如何实现。

1、Golang处理信号

Golang的os/signal包封装了对信号的处理。简单用法请看示例：

package main
import (
    "fmt"
    "os"
    "os/signal"
    "syscall"
)
func main() {
    signalChan := make(chan os.Signal)
    // 监听指定信号
    signal.Notify(
        signalChan,
        syscall.SIGHUP,
        syscall.SIGUSR2,
    )
    // 输出当前进程的pid
    fmt.Println("pid is: ", os.Getpid())
    // 处理信号
    for {
        sig := <-signalChan
        fmt.Println("get signal: ", sig)
    }
}

2、子进程启动新程序，监听相同的端口

在第四部分的ListenAndServe()方法的实现代码中可以看到，net/http包中使用net.Listen函数来监听了某个端口，但如果某个运行中的程序已经监听某个端口，其他程序是无法再去监听这个端口的。解决的办法是使用子进程的方式启动，并将监听端口的文件描述符传递给子进程，子进程里从这个文件描述符实现对端口的监听。

具体实现需要借助一个环境变量来区分进程是正常启动，还是以子进程方式启动的，相关代码摘抄如下：

// 启动子进程执行新程序
func (this *Server) startNewProcess() error {
    listenerFd, err := this.listener.(*Listener).GetFd()
    if err != nil {
        return fmt.Errorf("failed to get socket file descriptor: %v", err)
    }
    path := os.Args[0]
    // 设置标识优雅重启的环境变量
    environList := []string{}
    for _, value := range os.Environ() {
        if value != GRACEFUL_ENVIRON_STRING {
            environList = append(environList, value)
        }
    }
    environList = append(environList, GRACEFUL_ENVIRON_STRING)
    execSpec := &syscall.ProcAttr{
        Env:   environList,
        Files: []uintptr{os.Stdin.Fd(), os.Stdout.Fd(), os.Stderr.Fd(), listenerFd},
    }
    fork, err := syscall.ForkExec(path, os.Args, execSpec)
    if err != nil {
        return fmt.Errorf("failed to forkexec: %v", err)
    }
    this.logf("start new process success, pid %d.", fork)
    return nil
}
func (this *Server) getNetTCPListener(addr string) (*net.TCPListener, error) {
    var ln net.Listener
    var err error
    if this.isGraceful {
        file := os.NewFile(3, "")
        ln, err = net.FileListener(file)
        if err != nil {
            err = fmt.Errorf("net.FileListener error: %v", err)
            return nil, err
        }
    } else {
        ln, err = net.Listen("tcp", addr)
        if err != nil {
            err = fmt.Errorf("net.Listen error: %v", err)
            return nil, err
        }
    }
    return ln.(*net.TCPListener), nil
}

3、父进程等待已有连接中未完成的请求处理完毕

这一块是最复杂的；首先我们需要一个计数器，在成功Accept一个连接时，计数器加1，在连接关闭时计数减1，计数器为0时则父进程可以正常退出了。Golang的sync的包里的WaitGroup可以很好地实现这个功能。

然后要控制连接的建立和关闭，我们需要深入到net/http包中Server结构体的Serve()方法。重温第四部分Serve()方法的实现，会发现如果要重新写一个Serve()方法几乎是不可能的，因为这个方法里调用了好多个不可导出的内部方法，重写Serve()方法几乎要重写整个net/http包。

幸运的是，我们还发现在 ListenAndServe()方法里传递了一个listener给Serve()方法，并最终调用了这个listener的Accept()方法，这个方法返回了一个Conn的示例，最终在连接断开的时候会调用Conn的Close()方法，这些结构体和方法都是可导出的！

我们可以定义自己的Listener结构体和Conn结构体，组合net/http包中对应的结构体，并重写Accept()和Close()方法，实现对连接的计数，相关代码摘抄如下：

type Listener struct {
    *net.TCPListener
    waitGroup *sync.WaitGroup
}
func (this *Listener) Accept() (net.Conn, error) {
    tc, err := this.AcceptTCP()
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    tc.SetKeepAlive(true)
    tc.SetKeepAlivePeriod(3 * time.Minute)
    this.waitGroup.Add(1)
    conn := &Connection{
        Conn:     tc,
        listener: this,
    }
    return conn, nil
}
func (this *Listener) Wait() {
    this.waitGroup.Wait()
}
type Connection struct {
    net.Conn
    listener *Listener
    closed bool
}
func (this *Connection) Close() error {
    if !this.closed {
        this.closed = true
        this.listener.waitGroup.Done()
    }
    return this.Conn.Close()
}

4、gracehttp包的用法

gracehttp包已经应用到每天几亿PV的项目中，也开源到了github上：github.com/tabalt/gracehttp，使用起来非常简单。

如以下示例代码，引入包后只需修改一个关键字，将http.ListenAndServe 改为 gracehttp.ListenAndServe即可。

package main
import (
    "fmt"
    "net/http"
    "github.com/tabalt/gracehttp"
)
func main() {
    http.HandleFunc("/", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        fmt.Fprintf(w, "hello world")
    })
    err := gracehttp.ListenAndServe(":8080", nil)
    if err != nil {
        fmt.Println(err)
    }
}

测试平滑升级（优雅重启）的效果，可以参考下面这个页面的说明：

https://github.com/tabalt/gracehttp#demo

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原文链接：http://tabalt.net/blog/gracef…

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