深入理解 Linux 网络编程中的 SO_REUSEPORT：高效并发与负载均衡-CFANZ编程社区

SO_REUSEPORT 是一个与 SO_REUSEADDR 类似的套接字选项（socket option），它在 Linux 3.9 及以后的内核中被引入，专门用于增强端口复用能力。其主要功能是允许多个套接字同时绑定到同一个 IP 地址和端口号，且可以在多核系统中提高负载均衡和系统性能。

`SO_REUSEPORT` 的主要功能

多线程或多进程监听同一端口：多个进程或线程可以绑定到相同的端口和 IP 地址上，而不会导致绑定冲突。每个进程/线程都会独立处理接收到的连接，操作系统根据负载自动选择其中一个来接收数据。
负载均衡：当多个进程或线程同时绑定在同一个端口时，操作系统会均衡分配来自客户端的连接请求，提高并发处理能力。这在多核系统中尤为有用，因为可以减少锁竞争和上下文切换。
高效的多核利用：在高并发的服务器程序中，利用 SO_REUSEPORT，多个线程或进程可以监听同一个端口，避免了锁争用，从而提高了系统的处理能力。

`SO_REUSEPORT` 的使用场景

Web 服务器：例如 Nginx、HAProxy 等 Web 服务器，可以使用 SO_REUSEPORT 选项使多个 worker 进程同时监听相同的端口，从而提高多核 CPU 的利用率，避免在高并发下单个进程成为瓶颈。
多线程/多进程应用：高性能服务器程序中，常常需要使用多线程或多进程来处理大量的并发请求，通过 SO_REUSEPORT，可以避免锁竞争，提高吞吐量。

`SO_REUSEPORT` 的示例

1. 在 C 语言中使用 `SO_REUSEPORT`

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

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    int opt = 1;

    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    // 设置 SO_REUSEPORT 选项
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt)) < 0) {
        perror("setsockopt(SO_REUSEPORT)");
        return -1;
    }

    // 配置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(12345);  // 绑定端口 12345
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 绑定到所有可用地址

    // 绑定套接字到指定的地址和端口
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind");
        return -1;
    }

    // 开始监听
    if (listen(sockfd, 10) < 0) {
        perror("listen");
        return -1;
    }

    printf("Server is running on port 12345\n");

    // 关闭套接字
    close(sockfd);
    return 0;
}

在这个例子中，SO_REUSEPORT 使得多个进程或线程能够同时监听端口 12345。

2. 使用 `SO_REUSEPORT` 实现多进程负载均衡

以下示例展示如何使用 SO_REUSEPORT 让两个进程同时监听同一端口，并处理来自客户端的连接。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>

void handle_client(int client_sock) {
    char buffer[1024];
    ssize_t bytes = read(client_sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (bytes > 0) {
        buffer[bytes] = '\0';
        printf("Received: %s\n", buffer);
    }
    close(client_sock);
}

int main() {
    int sockfd, client_sock;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
    int opt = 1;

    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        return -1;
    }

    // 设置 SO_REUSEPORT 选项
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt)) < 0) {
        perror("setsockopt(SO_REUSEPORT)");
        return -1;
    }

    // 配置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(12345);  // 绑定端口 12345
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定到所有可用地址

    // 绑定套接字到指定的地址和端口
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind");
        return -1;
    }

    // 开始监听
    if (listen(sockfd, 10) < 0) {
        perror("listen");
        return -1;
    }

    // 使用 fork() 创建子进程，实现多进程监听
    if (fork() == 0) {
        while (1) {
            client_sock = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
            if (client_sock >= 0) {
                handle_client(client_sock);
            }
        }
        close(sockfd);
        exit(0);
    }

    // 父进程继续监听
    while (1) {
        client_sock = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
        if (client_sock >= 0) {
            handle_client(client_sock);
        }
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

在这个例子中，父进程和子进程都通过 SO_REUSEPORT 绑定到同一端口。当有新的客户端连接时，操作系统会根据负载均衡机制，选择父进程或子进程来处理连接请求。