寒秋论
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从nginx热更新聊一聊Golang中的热更新(下)

静态语言在服务器编程时都会遇到这样的问题:如何保证已有的连接服务不中断同时又升级版本?
在上一篇介绍热升级的时候时候,讲到了通过信号通知nginx进行热升级。我们在这一篇中介绍下平滑重启go http server

1.热更新大致思路

热更新目标:

  • 1、正在处理中的连接/服务/请求不能立即中断,需要继续提供服务
  • 2、socket对用户来说要保持可用,可以接受新的请求

直接沿用上篇的思路,热更新(单进程)流程,其基本流程如下:

  • 1、用新的bin文件去替换老的bin文件
  • 2、发送信号告知server进程(通常是USR2信号),进行平滑升级
  • 3、server进程收到信号后,通过调用fork/exec启动新的版本的进程
  • 4、子进程调用接口获取从父进程继承的socket 文件描述符重新监听socket
  • 5、老的进程不再接受请求,待正在处理中的请求处理完后,进程自动退出
  • 6、子进程托管给init进程我们可以按照这个思路完成一个简单的可以热更新的http server

2.简易的http server

首先,我们需要一个最简单的http server

func main() {
    fmt.Println("Hello World!")
    var err error

    // 注册http请求的处理方法
    http.HandleFunc("/", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        w.Write([]byte("Hello world!"))
    })

    // 在8086端口启动http服务,其内部有一个循环accept 8086端口
    // 每当新的HTTP请求过来则开一个协程处理
    err = http.ListenAndServe("localhost:8086", nil)
    if err != nil {
        log.Println(err)
    }

}

3.fork一个新的进程

go语言里面可以有很多种方法fork一个新的进程,但是在这里我更倾向于推荐exec.Command接口来启动一个新的进程。因为Cmd struct中有一个ExtraFiles变量,子进程可以通过它直接继承文件描述符fd

func forkProcess() error {
    var err error
    files := []*os.File{gListen.File()} //demo only one //.File()
    path := "/Users/yousa/work/src/graceful-restart-demo/graceful-restart-demo"
    args := []string{
        "-graceful",
    }

    env := append(
        os.Environ(),
        "ENDLESS_CONTINUE=1",
    )
    env = append(env, fmt.Sprintf(`ENDLESS_SOCKET_ORDER=%s`, "0,127.0.0.1"))

    cmd := exec.Command(path, args...)
    //cmd := exec.Command(path, "-graceful", "true")
    cmd.Stdout = os.Stdout
    cmd.Stderr = os.Stderr
    cmd.ExtraFiles = files
    cmd.Env = env

    err = cmd.Start()
    if err != nil {
        log.Fatalf("Restart: Failed to launch, error: %v", err)
        return err
    }

    return nil
}

代码浅析:

在上面的files是存储父进程的文件描述符path的内容是新的要替换的可执行文件的路径

重要的一点是,.File()返回一个dup(2)的文件描述符。这个重复的文件描述符不会设置FD_CLOEXEC标志,这个文件描述符操作容易出错,容易被在子进程中被错误关闭。

在其他语言(或者go里面)里面你可能通过使用命令行将文件描述符传递给子进程,在这里比较推荐使用ExtraFile传递fd。不过ExtraFileswindows中不支持。

args中传递的-graceful参数是告诉子进程这是优雅热升级的一部分,这样子进程可以通过它知道,自己需要重用套接字而不是重新打开一个新的套接字。

4.子进程初始化

func main() {
    fmt.Println("Hello World!")

    ...
        
    var gracefulChild bool
    var netListen net.Listener
    var err error
    args := os.Args
    ...

    if len(args) > 1 && args[1] == "-graceful" {
        gracefulChild = true
    } else {
        gracefulChild = false
    }

    fmt.Println("gracefulChild:", gracefulChild)

    if gracefulChild {
        //重用套接字
        log.Print("main: Listening to existing file descriptor 3.")
        f := os.NewFile(3, "")
        netListen, err = net.FileListener(f)
    } else {
        log.Print("main: Listening on a new file descriptor.")
        netListen, err = net.Listen("tcp", gServer.Addr)
    }
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
        return
    }
    
    ...
}

args用于解析入参,gracefulChild表示进程自己是否是子进程(对应到fork中的-graceful)(这里更推荐flag.BoolVar,但是写demo的时候使用起来有些问题,故临时使用args)

net.FileListener重用套接字,ExtraFiles中传递的套接字,从idx 3的位置开始获取。

5.给父进程发送信号停止父进程

func main() {
    //init
    ...
    
    if gracefulChild {
        syscall.Kill(syscall.Getppid(), syscall.SIGTERM)
        log.Println("Graceful shutdown parent process.")
    }
    
    //start http server.
    ...
}

父进程发送graceful shutdown信号

6.优雅停止父进程

等待请求超时或者处理完成退出进程

第一眼给人感觉,不知道该如何下手做热升级。

我们需要去跟踪连接,故想到的是有没有钩子函数来解决连接的accept和close,让人觉得Golang标准http包没有提供任何钩子来处理Accept()Close(),这里恰恰是golanginterface的魅力所在。

interface基础知识请自行补充

我们需要一个sync.WaitGroup来跟踪已经打开的连接,每新accept一个连接则让其加一,每当连接断开则减一。定义一个listener struct并实现相应的Accept()Close()Addr()等方法。

type demoListener struct {
    net.Listener
    stopped bool
    stop    chan error
}

func newDemoListener(listen net.Listener) (demoListen *demoListener) {
    demoListen = &demoListener{
        Listener: listen,
        stop: make(chan error),
    }

    return
}

func (listen *demoListener) Accept() (conn net.Conn, err error) {
    conn, err = listen.Listener.Accept()
    if err != nil {
        return
    }

    conn = demoConn{Conn: conn}
    gWg.Add(1)
    return
}

func (listen *demoListener) Close() error {
    if listen.stopped {
        return syscall.EINVAL
    }

    listen.stopped = true 
    return listen.Listener.Close() //停止接受新的连接
}

//get fd
func (listen *demoListener) File() *os.File {
    // returns a dup(2) - FD_CLOEXEC flag *not* set
    tcpListen := listen.Listener.(*net.TCPListener)
    fd, _ := tcpListen.File()
    return fd
}

demoListener定义的时候,通过匿名结构体(可以理解为是一种组合),继承了net.Listener的结构和方法,下面的AcceptClose则重载了net.ListenerAcceptClose方法。

Listener在每个Accept()上都增加了一个等待组。

newDemoListener()Listener的构造函数。

File()方法是从Listener中获取文件描述符fd

当然,我们需要重载连接net.ConnClose()方法,在连接断开时,将wg减一

type demoConn struct {
    net.Conn
}

func (conn demoConn) Close() error {
    err := conn.Conn.Close()
    if err == nil {
        gWg.Done()
    }

    return nil
}

最后,有可能客户端已经很长时间不发消息了,但是他不主动断开连接;为了避免这种情况,server端通常认为这种是连接超时,在一定时间后会将连接关闭,故初始化http.Server时比较建议这样:

gServer = &http.Server{
        Addr:           "0.0.0.0:8086",
        ReadTimeout:    60 * time.Second,
        WriteTimeout:   60 * time.Second,
        MaxHeaderBytes: 1 << 16,
        Handler:        demoHandler{},
    }
注意:若使用的go版本在1.8版本以上(包括),http包已经支持优雅退出,直接调用Shutdown()接口即可,更为简单。
关闭listener连接和监控信号的部分这里便不再赘述,文末附有源码,有兴趣可以看看。

测试结果:

启动server,发送http请求

YOUSALI-MB0:~ yousa$ curl -i http://localhost:8086
HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 05 Nov 2018 08:11:17 GMT
Content-Length: 17
Content-Type: text/plain; charset=utf-8

Hello Tencent!

发送usr2信号server

YOUSALI-MB0:graceful-restart-demo yousa$ ps -ef | grep grace
  501 50199 41134   0  4:10下午 ttys002    0:00.01 ./graceful-restart-demo
  501 50252 44808   0  4:11下午 ttys003    0:00.00 grep grace
YOUSALI-MB0:graceful-restart-demo yousa$ kill -USR2 50199
YOUSALI-MB0:graceful-restart-demo yousa$ ps -ef | grep grace
  501 50253     1   0  4:11下午 ttys002    0:00.01 /Users/yousa/work/src/graceful-restart-demo/graceful-restart-demo -graceful
  501 51460 44808   0  4:37下午 ttys003    0:00.00 grep grace
  
## 终端打印
Hello World!
gracefulChild: false
2018/11/05 16:10:16 main: Listening on a new file descriptor.
2018/11/05 16:11:10 50199 Received SIGUSR2.
Hello World!
gracefulChild: true
2018/11/05 16:11:10 main: Listening to existing file descriptor 3.
2018/11/05 16:11:10 Graceful shutdown parent process.
2018/11/05 16:11:10 50199 Received SIGTERM.

待升级后发送消息

YOUSALI-MB0:~ yousa$ curl -i http://localhost:8086
HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 05 Nov 2018 08:11:44 GMT
Content-Length: 14
Content-Type: text/plain; charset=utf-8

Happy 20th birthday!

7.遇到的问题

1、翻了下代码,并没有看到父进程如何退出?是怎样的流程?

先看一下http ListenAndServe接口,它会调用net.Listenserve.Serve两个函数,net.Listenlisten端口

Serve代码如下,它是一个for循环,Accept一个新的连接后会用一个新的协程来处理请求;当listen的端口被关闭或者异常后,该Serve循环便会跳出

另外,也可以在这里看到,如果让http server接入协程池则可以重载http.ServerServe,在收到新的连接后,从协程池中分配一个协程供新的连接使用。
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()
    }
}

再看一下shutdownProcess函数,故在这里关闭listen socket后,http Serve处理请求的主循环便会退出

func shutdownProcess() error {
    gServer.SetKeepAlivesEnabled(false)
    gListen.Close()
    log.Println("shutdownProcess success.")
    return nil
}

listen socket关闭后,main函数中的gServer.Serve(gListen)便会退出,但实际上已有的连接/服务并没有处理完成,需要使用waitgroup等待连接处理完成后,进程再退出。

8.github上的已有开源方案

解决golang http server热更新问题,有了基本的思路之后,想到的是去github看下有没有稳定的解决方案。找到了如下三个库:

  • fvbock/endless - Zero downtime restarts for golang HTTP and HTTPS servers. (for golang 1.3+)
  • facebookgo/grace - Grace provides a library that makes it easy to build socket based servers that can be gracefully terminated & restarted (that is, without dropping any connections).
  • jpillora/overseer - Overseer is a package for creating monitorable, gracefully restarting, self-upgrading binaries in Go (golang)
其实除了这些外,还有一些支持热更新的库,但是更新时间过老,在这里就不作讨论了。当然,非常火爆的框架比如beego等,也支持热升级/gracefun shutdown,但是由于嵌入到了beego中,故本章中不作讨论,有兴趣的可以自行去看看。

9.实现浅析

我们使用官方的例子来简单分析其流程并简单比较其异同

1、各个开源库demo代码

demo代码较为冗长,很影响阅读观感,故贴在了最后的附录中

2、对比

操作步骤:

  • 编译demo示例,启动示例进程,记录其pid
  • 修改内容(Hello Tencent初始内容,修改为Happy 20th Birthday!且请求处理均需要sleep 10-20秒),重新构建。
  • 发送请求,发送热升级信号,再发送请求,对比两次请求内容
  • 对比进程热升级前后的pid,是否与之前一致

结果对比

第三方库第一次请求返回第二次请求返回操作前进程pid操作后进程pidfacebookgo/graceHello TencentHappy 20th Birthday!4199241998fvbock/endlessHello TencentHappy 20th Birthday!4120041520jpillora/overseerHello TencentHappy 20th Birthday!4342443424

原理浅析:

graceendless的热升级方法与本文重点讲述的方法一致,基本是fork一个子进程子进程listen端口,父进程优雅退出,这里便不再赘述

overseer的热升级与grace/endless有些不同,由于作者很久不更新了(差不多1-2年),也找不到比较好的介绍文章,故这里只能简要贴一下其github上对overseer的原理介绍。由于不是本文核心介绍内容,放在附录中。overseer用一个主进程管理平滑重启,子进程处理连接,保持主进程pid不变;

优缺点对比:

  • grace库支持net tcp热升级以及http热升级,endless仅支持http热升级
  • grace库接入第三方http server较麻烦(比如fasthttp、gin等);endless接入则只需要替换ListenAndServe即可(endless继承/重写了Serve方法),通用性更好
  • grace库功能强大,但是稍微复杂;endless库更为简洁

由于我的项目使用了gin作为http框架,故考虑到快速集成,我选择了endless该框架

第三方库的对比经验:
主观因素:个人品味,是否要自己造轮子,朋友的推荐也对个人的判断也有很大影响;
客观因素:集成复杂度,内存管理,是否有大量I/O访问/耗性能访问,错误处理,工具参考文档等。

集成起来也非常方便,类似于如下:

func main() {
    router := gin.Default()
    router.GET("/", handler)
    // [...]
    endless.ListenAndServe(":8086", router)
}

10.问题拓展

我其实又想了这些问题,也想抛出来与大家一起讨论

  • 1、简单的http server很容易升级,若监听了多个端口该如何进行热升级?
  • 2、若go server使用tls服务(其他也类似),如何进行升级?
  • 3、go http server在容器场景下是否需要平滑热升级?平滑停机是否足够?如果平滑停机足够的话,那么如何结合docker+k8s进行热升级?

个人猜测了一下,这种场景下,后端服务应该会有冗余部署,前端通过负载均衡/elb/tgw等中间层访问,或者使用consul之类的服务注册发现机制串行重启或者分批次重启,来做到不停服升级服务

11.总结

热更新目标:

  • 1、正在处理中的连接/服务/请求不能立即中断,需要继续提供服务
  • 2、socket对用户来说要保持可用,可以接受新的请求
    直接沿用上篇的思路,热更新(单进程)流程,其基本流程如下:
  • 1、用新的bin文件去替换老的bin文件
  • 2、发送信号告知server进程(通常是USR2信号),进行平滑升级
  • 3、server进程收到信号后,通过调用 fork/exec 启动新的版本的进程
  • 4、子进程调用接口获取从父进程继承的 socket 文件描述符重新监听 socket
  • 5、老的进程不再接受请求,待正在处理中的请求处理完后,进程自动退出
  • 6、子进程托管给init进程

12.参考

13.代码附录

1、facebookgo/grace

// Command gracedemo implements a demo server showing how to gracefully
// terminate an HTTP server using grace.
package main

import (
    "flag"
    "fmt"
    "net/http"
    "os"
    "time"

    "github.com/facebookgo/grace/gracehttp"
)

var (
    address0 = flag.String("a0", ":48567", "Zero address to bind to.")
    address1 = flag.String("a1", ":48568", "First address to bind to.")
    address2 = flag.String("a2", ":48569", "Second address to bind to.")
    now      = time.Now()
)

func main() {
    flag.Parse()
    gracehttp.Serve(
        &http.Server{Addr: *address0, Handler: newHandler("Zero  ")},
        &http.Server{Addr: *address1, Handler: newHandler("First ")},
        &http.Server{Addr: *address2, Handler: newHandler("Second")},
    )
}

func newHandler(name string) http.Handler {
    mux := http.NewServeMux()
    mux.HandleFunc("/sleep/", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        duration, err := time.ParseDuration(r.FormValue("duration"))
        if err != nil {
            http.Error(w, err.Error(), 400)
            return
        }
        time.Sleep(duration)
        fmt.Fprintf(
            w,
            "%s started at %s slept for %d nanoseconds from pid %d.\n",
            name,
            now,
            duration.Nanoseconds(),
            os.Getpid(),
        )
    })
    return mux
}

2、fvbock/endless

package main

import (
    "log"
    "net/http"
    "os"

    "github.com/fvbock/endless"
    "github.com/gorilla/mux"
)

func handler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    w.Write([]byte("WORLD!"))
}

func main() {
    mux1 := mux.NewRouter()
    mux1.HandleFunc("/hello", handler).
        Methods("GET")

    err := endless.ListenAndServe("localhost:4242", mux1)
    if err != nil {
        log.Println(err)
    }
    log.Println("Server on 4242 stopped")

    os.Exit(0)
}

3、jpillora/overseer

package main

import (
    "fmt"
    "net/http"
    "time"

    "github.com/jpillora/overseer"
    "github.com/jpillora/overseer/fetcher"
)

//see example.sh for the use-case

// BuildID is compile-time variable
var BuildID = "0"

//convert your 'main()' into a 'prog(state)'
//'prog()' is run in a child process
func prog(state overseer.State) {
    fmt.Printf("app#%s (%s) listening...\n", BuildID, state.ID)
    http.Handle("/", http.HandlerFunc(func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
        d, _ := time.ParseDuration(r.URL.Query().Get("d"))
        time.Sleep(d)
        fmt.Fprintf(w, "app#%s (%s) says hello\n", BuildID, state.ID)
    }))
    http.Serve(state.Listener, nil)
    fmt.Printf("app#%s (%s) exiting...\n", BuildID, state.ID)
}

//then create another 'main' which runs the upgrades
//'main()' is run in the initial process
func main() {
    overseer.Run(overseer.Config{
        Program: prog,
        Address: ":5001",
        Fetcher: &fetcher.File{Path: "my_app_next"},
        Debug:   false, //display log of overseer actions
    })
}

4、overseer

  • overseer uses the main process to check for and install upgrades and a child process to run Program.
  • The main process retrieves the files of the listeners described by Address/es.
  • The child process is provided with these files which is converted into a Listener/s for the Program to consume.
  • All child process pipes are connected back to the main process.
  • All signals received on the main process are forwarded through to the child process.
  • Fetcher runs in a goroutine and checks for updates at preconfigured interval. When Fetcher returns a valid binary stream (io.Reader), the master process saves it to a temporary location, verifies it, replaces the current binary and initiates a graceful restart.
  • The fetcher.HTTP accepts a URL, it polls this URL with HEAD requests and until it detects a change. On change, we GET the URL and stream it back out to overseer. See also fetcher.S3.
  • Once a binary is received, it is run with a simple echo token to confirm it is a overseer binary.
  • Except for scheduled restarts, the active child process exiting will cause the main process to exit with the same code. So, overseer is not a process manager.


发布于 2019-03-14

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