Golang開發支援平滑升級（優雅重啟）的HTTP服務

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原文連結：http://tabalt.net/blog/gracef...
Golang支援平滑升級（優雅重啟）的包已開源到Github：https://github.com/tabalt/gracehttp，歡迎使用和貢獻代碼。

前段時間用Golang在做一個HTTP的介面，因編譯型語言的特性，修改了代碼需要重新編譯可執行檔，關閉正在啟動並執行老程式，並啟動新程式。對於訪問量較大的面向使用者的產品，關閉、重啟的過程中勢必會出現無法訪問的情況，從而影響使用者體驗。

使用Golang的系統包開發HTTP服務，是無法支援平滑升級（優雅重啟）的，本文將探討如何解決該問題。

一、平滑升級（優雅重啟）的一般思路

一般情況下，要實現平滑升級，需要以下幾個步驟：

1. 用新的可執行檔替換老的可執行檔（如只需優雅重啟，可以跳過這一步）

2. 通過pid給正在啟動並執行老進程發送 特定的訊號（kill -SIGUSR2 $pid）

3. 正在啟動並執行老進程，接收到指定的訊號後，以子進程的方式啟動新的可執行檔並開始處理新請求

4. 老進程不再接受新的請求，等待未完成的服務處理完畢，然後正常結束

5. 新進程在父進程退出後，會被init進程領養，並繼續提供服務

二、Golang Socket 網路編程

Socket是程式員層面上對傳輸層協議TCP/IP的封裝和應用。Golang中Socket相關的函數與結構體定義在net包中，我們從一個簡單的例子來學習一下Golang Socket 網路編程，關鍵說明直接寫在注釋中。

1、服務端程式 server.go

package mainimport (    "fmt"    "log"    "net"    "time")func main() {    // 監聽8086連接埠    listener, err := net.Listen("tcp", ":8086")    if err != nil {        log.Fatal(err)    }    defer listener.Close()    for {        // 迴圈接收用戶端的串連，沒有串連時會阻塞，出錯則跳出迴圈        conn, err := listener.Accept()        if err != nil {            fmt.Println(err)            break        }        fmt.Println("[server] accept new connection.")        // 啟動一個goroutine 處理串連        go handler(conn)    }}func handler(conn net.Conn) {    defer conn.Close()    for {        // 迴圈從串連中 讀取請求內容，沒有請求時會阻塞，出錯則跳出迴圈        request := make([]byte, 128)        readLength, err := conn.Read(request)        if err != nil {            fmt.Println(err)            break        }        if readLength == 0 {            fmt.Println(err)            break        }        // 控制台輸出讀取到的請求內容，並在請求內容前加上hello和時間後向用戶端輸出        fmt.Println("[server] request from ", string(request))        conn.Write([]byte("hello " + string(request) + ", time: " + time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05")))    }}

2、用戶端程式 client.go

package mainimport (    "fmt"    "log"    "net"    "os"    "time")func main() {    // 從命令列中讀取第二個參數作為名字，如果不存在第二個參數則報錯退出    if len(os.Args) != 2 {        fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s name ", os.Args[0])        os.Exit(1)    }    name := os.Args[1]    // 串連到服務端的8086連接埠    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8086")    checkError(err)    for {        // 迴圈往串連中 寫入名字        _, err = conn.Write([]byte(name))        checkError(err)        // 迴圈從串連中 讀取響應內容，沒有響應時會阻塞        response := make([]byte, 256)        readLength, err := conn.Read(response)        checkError(err)        // 將讀取響應內容輸出到控制台，並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、運行樣本程式

# 運行服務端程式go run server.go# 在另一個命令列視窗運行用戶端程式go run client.go "tabalt"

三、Golang HTTP 編程

HTTP是基於傳輸層協議TCP/IP的應用程式層協議。Golang中HTTP相關的實現在net/http包中，直接用到了net包中Socket相關的函數和結構體。

我們再從一個簡單的例子來學習一下Golang HTTP 編程，關鍵說明直接寫在注釋中。

1、http服務程式 http.go

package mainimport (    "log"    "net/http"    "os")// 定義http請求的處理方法func handlerHello(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {    w.Write([]byte("http hello on golang\n"))}func main() {    // 註冊http請求的處理方法    http.HandleFunc("/hello", handlerHello)    // 在8086連接埠啟動http服務，會一直阻塞執行    err := http.ListenAndServe("localhost:8086", nil)    if err != nil {        log.Println(err)    }    // http服務因故停止後 才會輸出如下內容    log.Println("Server on 8086 stopped")    os.Exit(0)}

2、運行樣本程式

# 運行HTTP服務程式go run http.go# 在另一個命令列視窗curl請求測試頁面curl http://localhost:8086/hello/# 輸出如下內容：http hello on golang

四、Golang net/http包中 Socket操作的實現

從上面的簡單樣本中，我們看到在Golang中要啟動一個http服務，只需要簡單的三步：

1. 定義http請求的處理方法

2. 註冊http請求的處理方法

3. 在某個連接埠啟動HTTP服務

而最關鍵的啟動http服務，是調用http.ListenAndServe()函數實現的。下面我們找到該函數的實現：

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

這裡建立了一個Server的對象，並調用它的ListenAndServe()方法，我們再找到結構體Server的ListenAndServe()方法的實現：

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)})}

從代碼上看到，這裡監聽了tcp連接埠，並將監聽者封裝成了一個結構體 tcpKeepAliveListener，再調用srv.Serve()方法；我們繼續跟蹤Serve()方法的實現：

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，和我們前面Socket編程的範例程式碼一樣，迴圈從監聽的連接埠上Accept串連，如果返回了一個net.Error並且這個錯誤是臨時性的，則會sleep一個時間再繼續。 如果返回了其他錯誤則會終止迴圈。成功Accept到一個串連後，調用了方法srv.newConn()對串連做了一層封裝，最後啟了一個goroutine處理http請求。

五、Golang 平滑升級（優雅重啟）HTTP服務的實現

我建立了一個新的包gracehttp來實現支援平滑升級（優雅重啟）的HTTP服務，為了少寫代碼和降低使用成本，新的包儘可能多地利用net/http包的實現，並和net/http包保持一致的對外方法。現在開始我們來看gracehttp包支援平滑升級 （優雅重啟）Golang HTTP服務涉及到的細節如何?。

1、Golang處理訊號

Golang的os/signal包封裝了對訊號的處理。簡單用法請看樣本：

package mainimport (    "fmt"    "os"    "os/signal"    "syscall")func main() {    signalChan := make(chan os.Signal)    // 監聽指定訊號    signal.Notify(        signalChan,        syscall.SIGHUP,        syscall.SIGUSR2,    )    // 輸出當前進程的pid    fmt.Println("pid is: ", os.Getpid())    // 處理訊號    for {        sig := <-signalChan        fmt.Println("get signal: ", sig)    }}

2、子進程啟動新程式，監聽相同的連接埠

在第四部分的ListenAndServe()方法的實現代碼中可以看到，net/http包中使用net.Listen函數來監聽了某個連接埠，但如果某個運行中的程式已經監聽某個連接埠，其他程式是無法再去監聽這個連接埠的。解決的辦法是使用子進程的方式啟動，並將監聽連接埠的檔案描述符傳遞給子進程，子進程裡從這個檔案描述符實現對連接埠的監聽。

具體實現需要藉助一個環境變數來區分進程是正常啟動，還是以子進程方式啟動的，相關代碼摘抄如下：

// 啟動子進程執行新程式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]    // 設定標識優雅重啟的環境變數    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、父進程等待已有串連中未完成的請求處理完畢

這一塊是最複雜的；首先我們需要一個計數器，在成功Accept一個串連時，計數器加1，在串連關閉時計數減1，計數器為0時則父進程可以正常退出了。Golang的sync的包裡的WaitGroup可以很好地實現這個功能。

然後要控制串連的建立和關閉，我們需要深入到net/http包中Server結構體的Serve()方法。重溫第四部分Serve()方法的實現，會發現如果要重新寫一個Serve()方法幾乎是不可能的，因為這個方法裡調用了好多個不可匯出的內部方法，重寫Serve()方法幾乎要重寫整個net/http包。

幸運的是，我們還發現在 ListenAndServe()方法裡傳遞了一個listener給Serve()方法，並最終調用了這個listener的Accept()方法，這個方法返回了一個Conn的樣本，最終在串連斷開的時候會調用Conn的Close()方法，這些結構體和方法都是可匯出的！

我們可以定義自己的Listener結構體和Conn結構體，組合net/http包中對應的結構體，並重寫Accept()和Close()方法，實現對串連的計數，相關代碼摘抄如下：

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包已經應用到每天幾億PV的項目中，也開源到了github上：github.com/tabalt/gracehttp，使用起來非常簡單。

如以下範例程式碼，引入包後只需修改一個關鍵字，將http.ListenAndServe 改為 gracehttp.ListenAndServe即可。

package mainimport (    "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)    }}

測試平滑升級（優雅重啟）的效果，可以參考下面這個頁面的說明：

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

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