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Golang支持平滑升級（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的接口，因編譯型語言的特性，修改了代碼需要重新編譯可執行文件，關閉正在運行的老程序，并啟動新程序。對于訪問量較大的面向用戶的產品，關閉、重啟的過程中勢必會出現無法訪問的情況，從而影響用戶體驗。

使用Golang的系統包開發HTTP服務，是無法支持平滑升級（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. 用新的可執行文件替換老的可執行文件（如只需優雅重啟，可以跳過這一步）

2. 通過pid給正在運行的老進程發送 特定的信號（kill -SIGUSR2 $pid）

3. 正在運行的老進程，接收到指定的信號后，以子進程的方式啟動新的可執行文件并開始處理新請求

4. 老進程不再接受新的請求，等待未完成的服務處理完畢，然后正常結束

5. 新進程在父進程退出后，會被init進程領養，并繼續提供服務

二、Golang Socket 網絡編程

Socket是程序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 網絡編程，關鍵說明直接寫在注釋中。

1、服務端程序 server.go

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "net"
    "time"
)

func main() {
    // 監聽8086端口
    listener, err := net.Listen("tcp", ":8086")
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    defer listener.Close()

    for {
        // 循環接收客戶端的連接，沒有連接時會阻塞，出錯則跳出循環
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println(err)
            break
        }

        fmt.Println("[server] accept new connection.")

        // 啟動一個goroutine 處理連接
        go handler(conn)
    }
}

func handler(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()

    for {
        // 循環從連接中 讀取請求內容，沒有請求時會阻塞，出錯則跳出循環
        request := make([]byte, 128)
        readLength, err := conn.Read(request)

        if err != nil {
            fmt.Println(err)
            break
        }

        if readLength == 0 {
            fmt.Println(err)
            break
        }

        // 控制臺輸出讀取到的請求內容，并在請求內容前加上hello和時間后向客戶端輸出
        fmt.Println("[server] request from ", string(request))
        conn.Write([]byte("hello " + string(request) + ", time: " + time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05")))
    }
}

2、客戶端程序 client.go

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "net"
    "os"
    "time"
)

func main() {

    // 從命令行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]

    // 連接到服務端的8086端口
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8086")
    checkError(err)

    for {
        // 循環往連接中 寫入名字
        _, err = conn.Write([]byte(name))
        checkError(err)

        // 循環從連接中 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臺，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、運行示例程序

# 運行服務端程序
go run server.go

# 在另一個命令行窗口運行客戶端程序
go run client.go "tabalt"

三、Golang HTTP 編程

HTTP是基于傳輸層協議TCP/IP的應用層協議。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服務程序 http.go

package main

import (
    "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() {

    // 注冊http請求的處理方法
    http.HandleFunc("/hello", handlerHello)

    // 在8086端口啟動http服務，會一直阻塞執行
    err := http.ListenAndServe("localhost:8086", nil)
    if err != nil {
        log.Println(err)
    }

    // http服務因故停止后 才會輸出如下內容
    log.Println("Server on 8086 stopped")
    os.Exit(0)
}

2、運行示例程序

# 運行HTTP服務程序
go run http.go

# 在另一個命令行窗口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

從上面的簡單示例中，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. 注冊http請求的處理方法

3. 在某個端口啟動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()
}

這里創建了一個Server的對象，并調用它的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，這里監聽了tcp端口，并將監聽者包裝成了一個結構體 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編程的示例代碼一樣，循環從監聽的端口上Accept連接，如果返回了一個net.Error并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循環。成功Accept到一個連接后，調用了方法srv.newConn()對連接做了一層包裝，最后啟了一個goroutine處理http請求。

五、Golang 平滑升級（優雅重啟）HTTP服務的實現

我創建了一個新的包gracehttp來實現支持平滑升級（優雅重啟）的HTTP服務，為了少寫代碼和降低使用成本，新的包盡可能多地利用net/http包的實現，并和net/http包保持一致的對外方法。現在開始我們來看gracehttp包支持平滑升級 （優雅重啟）Golang HTTP服務涉及到的細節如何實現。

1、Golang處理信號

Golang的os/signal包封裝了對信號的處理。簡單用法請看示例：

package main

import (
    "fmt"
    "os"
    "os/signal"
    "syscall"
)

func main() {

    signalChan := make(chan os.Signal)

    // 監聽指定信號
    signal.Notify(
        signalChan,
        syscall.SIGHUP,
        syscall.SIGUSR2,
    )

    // 輸出當前進程的pid
    fmt.Println("pid is: ", os.Getpid())

    // 處理信號
    for {
        sig := <-signalChan
        fmt.Println("get signal: ", sig)
    }
}

2、子進程啟動新程序，監聽相同的端口

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函數來監聽了某個端口，但如果某個運行中的程序已經監聽某個端口，其他程序是無法再去監聽這個端口的。解決的辦法是使用子進程的方式啟動，并將監聽端口的文件描述符傳遞給子進程，子進程里從這個文件描述符實現對端口的監聽。

具體實現需要借助一個環境變量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]

    // 設置標識優雅重啟的環境變量
    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、父進程等待已有連接中未完成的請求處理完畢

這一塊是最復雜的；首先我們需要一個計數器，在成功Accept一個連接時，計數器加1，在連接關閉時計數減1，計數器為0時則父進程可以正常退出了。Golang的sync的包里的WaitGroup可以很好地實現這個功能。

然后要控制連接的建立和關閉，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，因為這個方法里調用了好多個不可導出的內部方法，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()方法里傳遞了一個listener給Serve()方法，并最終調用了這個listener的Accept()方法，這個方法返回了一個Conn的示例，最終在連接斷開的時候會調用Conn的Close()方法，這些結構體和方法都是可導出的！

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，并重寫Accept()和Close()方法，實現對連接的計數，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。

如以下示例代碼，引入包后只需修改一個關鍵字，將http.ListenAndServe 改為 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)
    }
}

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

使用過程中有任何問題和建議，歡迎提交issue反饋，也可以Fork到自己名下修改之后提交pull request。

https://gocn.io/question/520
可以用golang自己實現，但是只在類unix系統中有用，利用系統信號量和啟動子進程，將舊的socket描述符傳遞給新的socket描述符，github已經有不少這樣的庫，很多golang的http框架也實現了。這種實現叫“graceful restart”或者“zero downtime server”，實現不中斷服務更新。
具體參考可以看看這些項目和幾篇文章：

• 項目
  facebook實現的https://github.com/facebookgo/grace
  另外一個項目：https://github.com/tylerb/graceful
  github還不少這樣的項目，可以自己找找。
  
• 文章
  https://segmentfault.com/a/1190000004445975
  http://tabalt.net/blog/graceful-http-server-for-golang
  https://grisha.org/blog/2014/06/03/graceful-restart-in-golang/