通过源码理解http层和tcp层的keep-alive
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2020-07-13 18:14
很久没更新文章了，今天突然想到这个问题，打算深入理解一下。我们知道建立tcp连接的代价是比较昂贵的，三次握手，慢开始，或者建立一个连接只为了传少量数据。这时候如果能保存连接，那会大大提高效率。下面我们通过源码来看看keep-alive的原理。本文分成两个部分
http层的keep-alive
tcp层的keep-alive
1 http层的keep-alive
最近恰好在看nginx1.17.9，我们就通过nginx来分析。我们先来看一下nginx的配置。
keepalive_timeout timeout;
keepalive_requests number;
上面两个参数告诉nginx，如果客户端设置了connection:keep-alive头。nginx会保持这个连接多久，另外nginx还支持另外一个限制，就是这个长连接上最多可以处理多少个请求。达到阈值后就断开连接。我们首先从nginx解析http报文开始。
ngx_http_request.c
ngx_http_read_request_header(r);
// 解析http请求行，r->header_in的内容由ngx_http_read_request_header设置
rc = ngx_http_parse_request_line(r, r->header_in);
// 解析完一个http头，开始处理
ngx_http_process_request_headers(rev);
上面两句代码是解析http报文头，比如解析到connection:keep-alive。那么ngx_http_read_request_header函数就会解析出这个字符串，然后保存到r->header_in。
ngx_http_header_t ngx_http_headers_in[] = {
{
ngx_string("Connection"),
offsetof(ngx_http_headers_in_t, connection),
ngx_http_process_connection
}
...
},
static void ngx_http_process_request_headers(ngx_event_t *rev) {
hh = ngx_hash_find(&cmcf->headers_in_hash, h->hash, h->lowcase_key, h->key.len);
if (hh && hh->handler(r, h, hh->offset) != NGX_OK) {
break;
}
}
上面的代码大致就是根据刚才解析到的Connection:keep-alive字符串，通过Connection为key从ngx_http_headers_in数组中找到对应的处理函数。然后执行。我们看看ngx_http_process_connection 。
static ngx_int_t
ngx_http_process_connection(ngx_http_request_t *r, ngx_table_elt_t *h,
ngx_uint_t offset)
{
if (ngx_strcasestrn(h->value.data, "close", 5 - 1)) {
r->headers_in.connection_type = NGX_HTTP_CONNECTION_CLOSE;
} else if (ngx_strcasestrn(h->value.data, "keep-alive", 10 - 1)) {
r->headers_in.connection_type = NGX_HTTP_CONNECTION_KEEP_ALIVE;
}
return NGX_OK;
}
非常简单，就是判断value的值是什么，我们假设这里是keep-alive，那么nginx会设置connection_type为NGX_HTTP_CONNECTION_KEEP_ALIVE。接着nginx处理完http头后，调用ngx_http_process_request函数，该函数会调用ngx_http_handler函数。
void
ngx_http_handler(ngx_http_request_t *r) {
switch (r->headers_in.connection_type) {
case 0:
r->keepalive = (r->http_version > NGX_HTTP_VERSION_10);
break;
case NGX_HTTP_CONNECTION_CLOSE:
r->keepalive = 0;
break;
case NGX_HTTP_CONNECTION_KEEP_ALIVE:
r->keepalive = 1;
break;
}
}
我们看到这时候connection_type的值是NGX_HTTP_CONNECTION_KEEP_ALIVE，nginx会设置keepalive字段为1。看完设置，我们看什么时候会使用这个字段。我们看nginx处理完一个http请求后，调用ngx_http_finalize_connection关闭连接时的逻辑。
if (!ngx_terminate
&& !ngx_exiting
&& r->keepalive
&& clcf->keepalive_timeout > 0)
{
ngx_http_set_keepalive(r);
return;
}
我们知道这时候r->keepalive是1，clcf->keepalive_timeout就是文章开头提到的nginx配置的。接着进入ngx_http_set_keepalive。
rev->handler = ngx_http_keepalive_handler;
ngx_add_timer(rev, clcf->keepalive_timeout);
nginx会设置一个定时器，过期时间是clcf->keepalive_timeout。过期后回调函数是ngx_http_keepalive_handler。
static void
ngx_http_keepalive_handler(ngx_event_t *rev) {
if (rev->timedout || c->close) {
ngx_http_close_connection(c);
return;
}
}
我们看到nginx会通过ngx_http_close_connection关闭请求。这就是nginx中关于keep-alive的逻辑。
2 tcp中的keep-alive
相比应用层的长连接，tcp层提供的功能更多。我们看linux2.6.13.1代码里提供的配置。
// 多久没有收到数据就发起探测包
#define TCP_KEEPALIVE_TIME (120*60*HZ) /* two hours */
// 探测次数
#define TCP_KEEPALIVE_PROBES 9 /* Max of 9 keepalive probes */
// 没隔多久探测一次
#define TCP_KEEPALIVE_INTVL (75*HZ)
这是linux提供的默认值。下面再看看阈值。
#define MAX_TCP_KEEPIDLE 32767
#define MAX_TCP_KEEPINTVL 32767
#define MAX_TCP_KEEPCNT 127
这三个配置和上面三个一一对应。是上面三个配置的阈值。我们一般通过setsockopt函数来设置keep-alive。所以来看一下tcp层tcp_setsockopt的实现。下面只摘取其中一个配置。其他的是类似的。
case TCP_KEEPIDLE:
if (val < 1 || val > MAX_TCP_KEEPIDLE)
err = -EINVAL;
else {
tp->keepalive_time = val * HZ;
/*
tcp_time_stamp是当前时间，tp->rcv_tstamp是上次收到数据包的时间，
相减得到多长时间没有收到数据包
*/
__u32 elapsed = tcp_time_stamp - tp->rcv_tstamp;
// 比如设置一分钟，那么有20秒没有收到了。则40秒后开启探测。
if (tp->keepalive_time > elapsed)
elapsed = tp->keepalive_time - elapsed;
else
// 直接达到超时时间了，直接开始探测
elapsed = 0;
// 开启一个定时器
tcp_reset_keepalive_timer(sk, elapsed);
}
break;
我们看tcp_reset_keepalive_timer
void tcp_reset_keepalive_timer (struct sock *sk, unsigned long len)
{
init_timer(&sk->sk_timer);
sk->sk_timer.function = &tcp_keepalive_timer;
sk->sk_timer.data = (unsigned long)sk;
sk_reset_timer(sk, &sk->sk_timer, jiffies + len);
}
超时处理函数是tcp_keepalive_timer
// 多长时间没有收到数据包
elapsed = tcp_time_stamp - tp->rcv_tstamp;
/*
keepalive_time_when(tp)) = tp->keepalive_time ? : sysctl_tcp_keepalive_time;
如果用户没有设置则取默认值
如果elapsed > keepalive_time_when(tp)说明达到发送探测包的条件了
*/
if (elapsed >= keepalive_time_when(tp)) {
// 再判断探测次数是否也达到阈值了，是则发送重置包断开连接
if ((!tp->keepalive_probes && tp->probes_out >= sysctl_tcp_keepalive_probes) ||
(tp->keepalive_probes && tp->probes_out >= tp->keepalive_probes)) {
tcp_send_active_reset(sk, GFP_ATOMIC);
tcp_write_err(sk);
goto out;
}
}
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