kernel对于SO_REUSEADDR的处理——避免滥用引发Bug

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今天有一个客户问题，问题的现象的大致情形如下：有两个不同的daemon服务进程，负责不同的服务。在某种情况下，进程A可以作为进程B的一个代理。某些client在通过进程A的认证后，通过进程A获得进程B分配的资源。客户的问题是在认证过后，无法获得进程B分配的资源。

我检查了log，在问题发生的时候，进程B有分配资源的记录，而且从时间上看，分配并没有耗费太多的时间。那么是否是进程A的超时机制处理有问题，导致进程A错误的判断超时了呢。比如没有考虑时间溢出的问题。因为进程A的代码不是我写的，所以我重新review了一些代码。发现虽然代码还是有些问题，不仅没有考虑到时间溢出的问题，而且在保存时间和比较时，使用的是有符号数。这样即使没有到时间溢出的时候，有符号的时间值就可能会被当成负数了，从而引发问题。不过按照当前时间，可以排除这个情况。还有其它的一些小问题，也不会有大的影响。

这样，排除了超时的错误后，我检查了进程A用于向进程B发送请求的代码，果然发现了问题。进程A是一个多线程的进程。估计是当时为了简单处理和并发性，在向进程B发送请求时，使用的是局部变量socket来发送UDP请求给B，而不是有一个独立的线程来做这件事情。且在使用socket时，又bind了本地地址和知名的本地端口。而为了多个socket可以同时bind本地地址和相同端口，特意在bind前，设置了SO_REUSEADDR。结果，恰恰是这种行为导致了这个bug的发生！之所以要使用固定端口，因为进程B这个协议，在发送response时，不会根据client发过来的port回复，而只是回复到client的知名端口，所以不能进程A不能使用随机端口。

在揭开谜底之前，让我们先温习一下究竟在什么情况下需要使用SO_REUSEADDR呢。已故的W.Richard Stevens大师，在他的UNP1中列举了四种情况。

1. 当有一个有相同本地地址和端口的socket1处于TIME_WAIT状态时，而你启
   动的程序的socket2要占用该地址和端口，你的程序就要用到该选项。另外作为服务daemon一般都会使用SO_REUSEADDR，避免服务意外崩溃而原有socket还未被kernel释放时，重启的daemon仍然可以bind成功。
2. SO_REUSEADDR允许同一port上启动同一服务器的多个实例。但
   每个实例绑定的IP地址是不能相同的。在有多块网卡或用IP Alias技术的机器可
   以测试这种情况。
3. SO_REUSEADDR允许单个进程绑定相同的端口到多个socket上，但每个soc
   ket绑定的ip地址不同。这和2很相似，区别请看UNPv1。
4. SO_REUSEADDR允许完全相同的地址和端口的重复绑定。但这只用于UDP的
   多播，不用于TCP。

而当前的情况并不属于这4种的任何一种。那么这时，假设进程A同时打开了5个socket，并都成功bind了本地地址和相同的端口，且发送了请求给进程B。那么当进程B回应时，是什么样的情形呢？

按照第一感觉，似乎kernel应该把数据包发给每一个socket，也就是说如果这5个socket没有关闭，每个socket都应该收到5个数据包。——至少以前的我，会这么理解。

可现实往往与人们的第一感觉向左的。linux kernel在收到数据包，除了raw socket，只会选择一个最匹配的socket来接收数据包。以UDP为例，执行这一个工作的是__udp4_lib_lookup_skb函数。通过比对源地址，源端口，目的地址，目的端口以及bind的网卡，来找到最匹配的socket。使用compute_score这个函数来计算每个socket的分数，具体行为请参考kernel代码。当没有完全匹配的时候，才会匹配具有通配地址或端口的socket。

正因为linux kernel的这一行为，导致了这5个socket中，只有1个socket收到了所有的5个数据包。而这个socket只关心其中的一个并成功处理而后关闭socket。而其他4个socket则根本收不到任何数据包。这时这4个socket重发请求，而4个回复仍然只会被其中的1个socket收到，而导致另外3个socket失败。这里之所以每次都是1个socket收到所有的数据包，是因为每个socket都bind相同的地址和端口，那么对于kernel来说，这些socket的匹配得分肯定都相等。那么每次数据包到来，kernel都只会选择第一个socket。

通过上面的讲解，就可以确定了正是对SO_REUSEADDR的滥用，才导致了这个bug。那么，究竟怎样解决这个bug呢。我想出了2个方案：

1. 在进程A中，创建一个新的线程，专门用于向进程B发送请求和接受回复，来代替当前的机制。不过这样的改动会比较大些。

2. 利用linux中raw socket的特性——linux会复制所有符合raw socket过滤条件（使用bind和connect）的数据包到每一个raw socket，替换现有的UDP socket。这样每个socket都可以收到所有的回复，当然只会处理对应该socket发送出的请求的回复。这样的改动最简单，不过在效率上稍微差了一点。

根据我们的情况，因为通过进程A来申请进程B资源的客户请求并不经常使用。所有，最终，我选择使用raw socket这个方案来解决这个Bug。

这次我能够很快的发现这个根本原因。主要是因为这段时间我正在学些linux的TCP/IP的源代码。所以在看到进程A使用SO_REUSEADDR的情况时，直接想起了kernel挑选socket的最佳匹配策略。因此，直接找到了根本原因。可见，即使我们并不是kernel 开发人员，也要尽量的多了解kernel的内部原理和机制，对于应用层的开发有着极大的益处——如果我不知道这个匹

配策略，估计这个bug需要我研究好几天，而非今天的迅速解决。