Linux高性能服务器编程学习笔记第十六章服务器调制、调试和测试

Linux平台的一个优秀特性是内核微调，即我们可以通过修改文件的方式来调整内核参数。

服务器开发过程中，可能会碰到意想不到的错误，一种调试方法是用tcpdump抓包，但这种方法主要用于分析程序的输入和输出，对于服务器的逻辑错误，更方便的调试方法是使用gdb调试器。

系统分配给应用进程的文件描述符数量是有限制的，所以我们必须关闭那些已经不再使用的文件描述符，以释放它们占用的资源，比如作为守护进程运行的服务器就应该总是关闭标准输入、标准输出、标准错误这3个文件描述符。

Linux对应用进程能打开的最大文件描述符数量有两个层次的限制：用户级限制和系统级限制。用户级限制指目标用户运行的所有进程总共能打开的文件描述符数；系统级限制指所有用户总共能打开的文件描述符数。

以下命令可查看用户级文件描述符限制：

ulimit -n

我们可通过一下方式将用户级文件描述符限制设为2048：

ulimit -SHn 2048

但这种设置是临时的，只在当前session中有效，为永久修改用户级文件描述符数限制，可在/etc/security/limits.conf文件中加入以下两项：

* hard nofile 2048
* soft nofile 2048

第一行是硬限制，第二行是软限制。*是通配符，表示所有用户。

如果要修改系统级文件描述符数限制，可用以下命令：

sysctl -w fs.file-max=2048

但该命令也是临时更改系统限制，要永久更改系统级文件描述符数限制，需要在/etc/sysctl.conf文件中添加以下项：

fs.file-max=2048

然后执行sysctl -p命令，该Linux系统上的命令用于重新加载系统内核参数设置。

几乎所有内核模块，包括内核核心模块和驱动程序，都在/proc/sys目录下提供了某些配置文件以供用户调整模块的属性和行为。通常一个配置文件对应一个内核参数，文件名就是参数的名字，文件内容就是参数的值。我们可通过命令sysctl -a查看所有这些内核参数，我们只讨论其中与网络编程关系较为紧密的内核参数。

/proc/sys/fd目录下的内核参数都与文件系统相关，对服务器程序来说，有以下重要参数：
1./proc/sys/fd/file-max：系统级文件描述符数限制，修改它是临时性修改，与以上所述临时修改系统级文件描述符数的限制效果相同。一般修改完该文件后，需要把/proc/sys/fd/inode-max设置为新/proc/sys/fd/file-man值的3~4倍，否则可能导致i节点数不够用。

2./proc/sys/fd/epoll/max-user_watches：一个用户能够往epoll内核事件表中注册的事件总量。它是某用户打开的所有epoll实例总共能监听的事件数目，而不是单个epoll实例能监听的事件数目。往epoll内核事件表中注册一个事件，在32位系统上大概消耗90字节的内核空间，在64位系统上则消耗160字节的内核空间。这个内核参数限制了epoll使用的内核内存总量。

内核中网络模块的相关参数都位于/proc/sys/net目录下，其中和TCP/IP协议相关的参数主要位于以下3个子目录中：core、ipv4、ipv6，以下是和服务器性能相关的部分参数：
1./proc/sys/net/core/somaxconn：指定listen函数监听队列里，能建立完整连接从而进入ESTABLISHED状态的socket的最大数目。

2./proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog：指定listen函数监听队列里，能够转移至ESTABLISHED或SYN_RCVD状态的socket的最大数目。

3./proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem：它包含3个值，分别指定一个socket的TCP写缓冲区的最小值、默认值、最大值。

4./proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem：它包含3个值，分别指定一个socket的TCP读缓冲区的最小值、默认值、最大值。

5./proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies：指定是否打开TCP同步标签（syncookie），同步标签通过启动cookie来防止一个监听socket因不停地重复接收来自同一个地址的连接请求（同步报文段），而导致listen函数监听队列溢出（所谓的SYN风暴）。

除了通过直接修改文件的方式来修改这些系统参数外，我们也可使用sysctl命令来修改它们，这两种修改方式都是临时的，永久的修改方法是在/etc/sysctl.conf文件中加入相应网络参数及其数值，并执行sysctl -p使之生效。

以下讨论如何使用gdb来调试多进程和多线程程序，我们假设读者懂得基本的gdb调试方法，如设置断点、查看变量等。

如果一个进程通过fork系统调用创建了子进程，gdb会继续调试原来的进程，子进程则正常运行，以下方式可调试子进程：
1.单独调试子进程。子进程本质上来说也是一个进程，因此我们可通过通用的gdb调试方法来调试它，例如，我们可先运行服务器，然后找到子进程的PID，再将其附加（attach）到gdb调试器上，具体操作如下：
在这里插入图片描述

上图中，b命令表示设置断点，格式为b filename:linenumber；c命令的作用是继续程序的执行，直到遇到下一个断点或程序正常结束；bt命令的作用是打印当前程序的函数调用堆栈（backtrace），显示当前执行路径中各个函数的调用关系和调用帧信息。

2.使用调试器选项follow-fork-mode。gdb调试器的选项follow-fork-mode允许我们选择程序在执行fork系统调用后是继续调试父进程还是调试子进程，其用法如下：
在这里插入图片描述
上图中，mode的可选值是parent和child，分别表示调试父进程和子进程，使用前面的例子，这次使用follow-fork-mode选项来调试子进程，具体过程如下：

上图中，gdb ./cgisrv命令以gdb启动名为cgisrv的可执行文件，当我们设置完调试器选项follow-fork-mode和断点后，使用r命令启动被调试的程序。

gdb有一组命令可辅助多线程程序的调试，以下是其中一些常用的命令：
1.info threads：显示当前可调式的所有线程。gdb会为每个线程分配一个ID，我们可使用这个ID来操作对应的线程，ID前面有*的线程是当前被调试的线程。

2.thread ID：调试目标ID指定的线程。

3.set scheduler-locking [off|on|stop]：调试多线程程序时，默认除了被调试的线程在执行外，其他线程也在继续执行，但有时我们仅希望被调试的线程运行，这可通过该命令来实现。该命令设置scheduler-locking的值：off表示不锁定任何线程，即所有线程都可继续执行，这是默认值；on表示只有当前被调试的线程会继续执行；stop表示在单步执行的时候，只有当前线程会执行。

以下过程独立调试每个线程：
在这里插入图片描述

上图中，gdb的n命令的作用是单步执行程序，一次性执行一行源代码，然后将控制权交还给调试器，以便检查程序状态、变量值和执行路径。

一个关于调试进程池和线程池程序的不错的方法是，将池中的进程或线程个数减少至1，以观察程序的逻辑是否正确，然后逐步增加进程或线程数量，以调试进程或线程的同步是否正确。

压力测试程序有很多种实现方式，如IO复用方式、多线程（进程）并发编程方式，以及这些方式的结合使用，但单纯的IO复用方式的施压程度是最高的，因为线程和进程的调度本身也要占用一定CPU时间（作者此处认为单线程、单进程的压力测试程序施压程度最高，但单线程、单进程只能同时使用CPU的一个核心，而多线程或多进程情况下可以使用CPU的多个核心，为什么多核心同时施压比单核心施压程度高呢？），因此我们使用epoll来实现一个通用的服务器压力测试程序：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>

// 每个客户连接不停向服务器发送这个请求
static const char *request = "GET http://localhost/index.html HTTP/1.1\r\n"
    "Connection: keep-alive\r\n\r\nxxxxxxxxxxxx";

int setnonblocking(int fd) {
    int old_option = fcntl(fd, F_GETFL);
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
    fcntl(fd, F_SETFL, new_option);
    return old_option;
}

void addfd(int epoll_fd, int fd) {
    epoll_event event;
    event.data.fd = fd;
    event.events = EPOLLOUT | EPOLLET | EPOLLERR;
    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);
}

// 向服务器写入len字节的数据
bool write_nbytes(int sockfd, const char *buffer, int len) {
    int bytes_write = 0;
    printf("write out %d bytes to socket %d\n", len, sockfd);
    while (1) {
        bytes_write = send(sockfd, buffer, len, 0);
        if (bytes_write == -1) {
            return false;
        } else if (bytes_write == 0) {
            return false;
        }
        
        len -= bytes_write;
        buffer = buffer + bytes_write;
        if (len <= 0) {
            return true;
        }
    }
}

// 从服务器读取数据
bool read_once(int sockfd, char *buffer, int len) {
    int bytes_read = 0;
    memset(buffer, '\0', len);
    bytes_read = recv(sockfd, buffer, len, 0);
    if (bytes_read == -1) {
        return false;
    } else if (bytes_read == 0) {
        return false;
    }
    printf("read in %d bytes from socket %d with content: %s\n", bytes_read, sockfd, buffer);
    
    return true;
}

// 向服务器发起num参数个TCP连接，我们可以通过改变num参数来调整测试压力
void start_conn(int epoll_fd, int num, const char *ip, int port) {
    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);
    
    for (int i = 0; i < num, ++i) {
        sleep(1);
        int sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        printf("create 1 sock\n");
        if (sockfd < 0) {
            continue;
        }
        
        if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) == 0) {
            printf("build connection %d\n", i);
            addfd(epoll_fd, sockfd);
        }
    }
}

void close_conn(int epoll_fd, int sockfd) {
    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, 0);
    close(sockfd);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    assert(argc == 4);
    int epoll_fd = epoll_create(100);
    start_conn(epoll_fd, atoi(argv[3]), argv[1], atoi(argv[2]));
    epoll_event events[10000];
    char buffer[2048];
    while (1) {
        // 第3个参数是第2个参数数组的大小
        // 第4个参数是等待的毫秒数
        int fds = epoll_wait(epoll_fd, events, 10000, 2000);
        for (int i = 0; i < fds; ++i) {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            if (events[i].events & EPOLLIN) {
                // 此处代码有问题，当读取失败后（对端关闭连接或读函数失败）
                // 先关闭了连接，然后接着又监听被关闭连接的可写状态，此处关闭连接后，应该continue
                if (!read_once(sockfd, buffer, 2048)) {
                    close_conn(epoll_fd, sockfd);
                }
                struct epoll_event event;
                event.events = EPOLLOUT | EPOLLET | EPOLLERR;
                event.data.fd = sockfd;
                epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &event);
            } else if (events[i].events & EPOLLOUT) {
                // 此处也是同样的问题
                if (!write_nbytes(sockfd, request, strlen(request))) {
                    close_conn(epoll_fd, sockfd);
                }
                struct epoll_event event;
                event.events = EPOLLIN | EPOLLET | EPOLLERR;
                event.data.fd = sockfd;
                epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_MOD, sockfd, &event);
            } else if (events[i].events & EPOLLERR) {
                close_conn(epoll_fd, sockfd);
            }
        }
    }
}

使用以上压力测试程序（名为stress_test）来测试第十五章中用线程池实现的Web服务器，我们现在测试机器ernest-laptop上运行websrv，然后从Kongming20上执行stress_test，向websrv服务器发起1000个连接，具体操作如下：
在这里插入图片描述
如果websrv服务器程序足够稳定，那么websrv和stress_test这两个进程将一直运行下去，并不断交换数据。