面试加分题--socket是否是并发安全的？

今天和大家聊一个有点儿东西的面试题：socket是否是并发安全的？

为了帮助大家理解，我们先假设一个场景。

就拿游戏架构来说，我们想象中的游戏架构是下面这样的。

想象中的游戏架构

也就是用户客户端直接连接游戏核心逻辑服务器，下面简称GameServer。GameServer主要负责实现各种玩法逻辑。

这当然是能跑起来，实现也很简单。

但这样会有个问题，因为游戏这块蛋糕很大，所以总会遇到很多挺刑的事情。

如果让用户直连GameServer，那相当于把GameServer的ip暴露给了所有人。

不赚钱还好，一旦游戏赚钱，就会遇到各种攻击。

你猜《羊了个羊》最火的时候为啥老是崩溃？

假设一个游戏服务器能承载4k玩家，一旦服务器遭受直接攻击，那4k玩家都会被影响。

这攻击的是服务器吗？这明明攻击的是老板的钱包。

所以很多时候不会让用户直连GameServer。

而是在前面加入一层网关层，下面简称gateway。类似这样。

实际的某些游戏架构

GameServer 就躲在了 gateway 背后，用户只能得到 gateway 的IP。

然后将大概每 100 个用户放在一个 gateway 里，这样如果真被攻击，就算 gateway 崩了，受影响的也就那 100 个玩家。

由于大部分游戏都使用 TCP 做开发，所以下面提到的连接，如果没有特别说明，那都是指 TCP 连接。

那么问题来了。

假设有100个用户连 gateway，那 gateway 跟 GameServer 之间也会是100个连接吗？

当然不会，gateway 跟 GameServer 之间的连接数会远小于 100。

因为这 100 个用户不会一直需要收发消息，总有空闲的时候，完全可以让多个用户复用同一条连接，将数据打包一起发送给 GameServer，这样单个连接的利用率也高了，GameServer 也不再需要同时维持太多连接，可以节省了不少资源，这样就可以多服务几个大怨种金主。

我们知道，要对网络连接写数据，就要执行 send(socket_fd, data)。

于是问题就来了。

已知多个用户共用同一条连接。

现在多个用户要发数据，也就是多个用户线程需要写同一个socket_fd。

那么，socket是并发安全的吗？能让这多个线程同时并发写吗？

并发读写socket

写TCP Socket是线程安全的吗？

对于 TCP，我们一般使用下面的方式创建 socket。

sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0))

返回的sockfd是 socket 的句柄 id，用于在整个操作系统中唯一标识你的 socket 是哪个，可以理解为 socket 的身份证id。

创建 socket 时，操作系统内核会顺带为 socket 创建一个发送缓冲区和一个接收缓冲区。分别用于在发送和接收数据的时候给暂存一下数据。

写 socket 的方式有很多，既可以是send，也可以是write。

但不管哪个，最后在内核里都会走到 tcp_sendmsg() 函数下。

// net/ipv4/tcp.c
int tcp_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size)
{
    // 加锁
    lock_sock(sk);


    // ... 拷贝到发送缓冲区的相关操作


    // 解锁
    release_sock(sk);
}

在tcp_sendmsg的目的就是将要发送的数据放入到 TCP 的发送缓冲区中，此时并没有所谓的发送数据出去，函数就返回了，内核后续再根据实际情况异步发送。

tcp_sendmsg 逻辑

从tcp_sendmsg的代码中可以看到，在对 socket 的缓冲区执行写操作的时候，linux 内核已经自动帮我们加好了锁，也就是说，是线程安全的。

所以可以多线程不加锁并发写入数据吗？

不能。

问题的关键在于锁的粒度。

但我们知道 TCP 有三大特点，面向连接，可靠的，基于字节流的协议。

TCP是什么

问题就出在这个"基于字节流"，它是个源源不断的二进制数据流，无边界。来多少就发多少，但是能发多少，得看你的发送缓冲区还剩多少空间。

举个例子，假设A线程想发123数据包，B线程想发456数据包。

A和B线程同时执行send()，A先抢到锁，此时发送缓冲区就剩1个数据包的位置，那发了"1"，然后发送缓冲区满了，A线程退出（非阻塞），当发送缓冲区腾出位置后，此时AB再次同时争抢，这次被B先抢到了，B发了"4"之后缓冲区又满了，不得不退出。

重复这样多次争抢之后，原本的数据内容都被打乱了，变成了142356。因为数据123是个整体，456又是个整体，像现在这样数据被打乱的话，接收方就算收到了数据也没办法正常解析。

并发写socket_fd导致数据异常

也就是说锁的粒度其实是每次"写操作"，但每次写操作并不保证能把消息写完整。

那么问题就来了，那是不是我在写整个完整消息之前加个锁，整个消息都写完之后再解锁，这样就好了?

类似下面这样。

// 伪代码
int safe_send(msg string)
{
    target_len = length(msg)
        have_send_len = 0
    // 加锁
    lock();

    // 不断循环直到发完整个完整消息
       do {
     send_len := send(sockfd,msg)
     have_send_len = have_send_len + send_len
       } while(have_send_len < target_len)
   

    // 解锁
    unlock();

}

这也不行，我们知道加锁这个事情是影响性能的，锁的粒度越小，性能就越好。反之性能就越差。

当我们抢到了锁，使用 send(sockfd,msg) 发送完整数据的时候，如果此时发送缓冲区正好一写就满了，那这个线程就得一直占着这个锁直到整个消息写完。其他线程都在旁边等它解锁，啥事也干不了，焦急难耐想着抢锁。

但凡某个消息体稍微大点，这样的问题就会变得更严重。整个服务的性能也会被这波神仙操作给拖垮。

归根结底还是因为锁的粒度太大了。

有没有更好的方式呢？

其实多个线程抢锁，最后抢到锁的线程才能进行写操作，从本质上来看，就是将所有用户发给GameServer逻辑服务器的消息给串行化了，

那既然是串行化，我完全可以在在业务代码里为每个socket_fd配一个队列来做，将数据在用户态加锁后塞到这个队列里，再单独开一个线程，这个线程的工作就是发送消息给socket_fd。

于是上面的场景就变成了下面这样。

并发写到加锁队列后由一个线程处理

于是在 gateway 层，多个用户线程同时写消息时，会去争抢某个 socket_fd 对应的队列，抢到锁之后就写数据到队列。而真正执行 send(sockfd,msg) 的线程其实只有一个。它会从这个队列中取数据，然后不加锁的批量发送数据到 GameServer。

由于加锁后要做的事情很简单，也就塞个队列而已，因此非常快。并且由于执行发送数据的只有单个线程，因此也不会有消息体乱序的问题。

读TCP Socket是线程安全的吗？

在前面有了写 socket 是线程安全的结论，我们稍微翻一下源码就能发现，读socket其实也是加锁了的，所以并发多线程读 socket 这件事是线程安全的。

// net/ipv4/tcp.c
int tcp_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,
        size_t len, int nonblock, int flags, int *addr_len)
{

    // 加锁
    lock_sock(sk);

    // ... 将数据从接收缓冲区拷贝到用户缓冲区

    // 释放锁
    release_sock(sk);

}

但就算是线程安全，也不代表你可以用多个线程并发去读。

因为这个锁，只保证你在读 socket 接收缓冲区时，只有一个线程在读，但并不能保证你每次的时候，都能正好读到完整消息体后才返回。

所以虽然并发读不报错，但每个线程拿到的消息肯定都不全，因为锁的粒度并不保证能读完完整消息。

TCP 是基于数据流的协议，数据流会源源不断从网卡那送到接收缓冲区。

如果此时接收缓冲区里有两条完整消息，比如 "我是小白"和"点赞在看走一波"。

有两个线程 A 和 B 同时并发去读的话，A 线程就可能读到“我是 点赞走一波"， B 线程就可能读到”小白 在看"

两条消息都变得不完整了。

并发读socket_fd导致的数据异常

解决方案还是跟读的时候一样，读 socket 的只能有一个线程，读到了消息之后塞到加锁队列中，再将消息分开给到 GameServer 的多线程用户逻辑模块中去做处理。

单线程读 socket_fd 后写入加锁队列

读写UDP Socket是线程安全的吗？

聊完 TCP，我们很自然就能想到另外一个传输层协议 UDP，那么它是线程安全的吗？

我们平时写代码的时候如果要使用 UDP 发送消息，一般会像下面这样操作。

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);

而执行到底层，会到 linux 内核的udp_sendmsg函数中。

int udp_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t len) {
   if (用到了MSG_MORE的功能) {
        lock_sock(sk);
    // 加入到发送缓冲区中
    release_sock(sk);
   } else {
        // 不加锁，直接发送消息
   }
}

这里我用伪代码改了下，大概的含义就是用到MSG_MORE就加锁，否则不加锁将传入的msg作为一整个数据包直接发送。

首先需要搞清楚，MSG_MORE 是啥。它可以通过上面提到的sendto函数最右边的flags字段进行设置。大概的意思是告诉内核，待会还有其他更多消息要一起发，先别着急发出去。此时内核就会把这份数据先用发送缓冲区缓存起来，待会应用层说ok了，再一起发。

但是，我们一般也用不到 MSG_MORE。

所以我们直接关注另外一个分支，也就是不加锁直接发消息。

那是不是说明走了不加锁的分支时，udp发消息并不是线程安全的？

其实。还是线程安全的，不用lock_sock(sk)加锁，单纯是因为没必要。

开启MSG_MORE时多个线程会同时写到同一个 socket_fd 对应的发送缓冲区中，然后再统一一起发送到 IP 层，因此需要有个锁防止出现多个线程将对方写的数据给覆盖掉的问题。而不开启MSG_MORE时，数据则会直接发送给 IP 层，就没有了上面的烦恼。

再看下UDP的接收函数udp_recvmsg，会发现情况也类似，这里就不再赘述。

能否多线程同时并发读或写同一个UDP socket？

在TCP中，线程安全不代表你可以并发地读写同一个socket_fd，因为哪怕内核态中加了lock_sock(sk)，这个锁的粒度并不覆盖整个完整消息的多次分批发送，它只保证单次发送的线程安全，所以建议只用一个线程去读写一个socket_fd。

那么问题又来了，那UDP呢？会有一样的问题吗？

我们跟TCP对比下，大家就知道了。

TCP不能用多线程同时读和同时写，是因为它是基于数据流的协议。

那UDP呢？它是基于数据报的协议。

UDP是什么

基于数据流和基于数据报有什么区别呢？

基于数据流，意味着发给内核底层的数据就跟水进入水管一样，内核根本不知道什么时候是个头，没有明确的边界。

而基于数据报，可以类比为一件件快递进入传送管道一样，内核很清楚拿到的是几件快递，快递和快递之间边界分明。

水滴和快递的差异

那从我们使用的方式来看，应用层通过 TCP 去发数据，TCP 就先把它放到缓冲区中，然后就返回。至于什么时候发数据，发多少数据，发的数据是刚刚应用层传进去的一半还是全部都是不确定的，全看内核的心情。在接收端收的时候也一样。

但 UDP 就不同，UDP 对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。

无论应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 都照样发送，即一次发送一个报文。至于数据包太长，需要分片，那也是 IP 层的事情，跟 UDP 没啥关系，大不了效率低一些。而接收方在接收数据报的时候，一次取一个完整的包，不存在 TCP 常见的半包和粘包问题。

正因为基于数据报和基于字节流的差异，TCP 发送端发 10 次字节流数据，接收端可以分 100 次去取数据，每次取数据的长度可以根据处理能力作调整；但 UDP 发送端发了 10 次数据报，那接收端就要在 10 次收完，且发了多少次，就取多少次，确保每次都是一个完整的数据报。

所以从这个角度来说，UDP 写数据报的行为是"原子"的，不存在发一半包或收一半包的问题，要么整个包成功，要么整个包失败。因此多个线程同时读写，也就不会有 TCP 的问题。

所以，可以多个线程同时读写同一个UDP socket。

但就算可以，我依然不建议大家这么做。

为什么不建议使用多线程同时读写同一个 UDP socket

UDP 本身是不可靠的协议，多线程高并发执行发送时，会对系统造成较大压力，这时候丢包是常见的事情。虽然这时候应用层能实现重传逻辑，但重传这件事毕竟是越少越好。因此通常还会希望能有个应用层流量控制的功能，如果是单线程读写的话，就可以在同一个地方对流量实现调控。类似的，实现其他插件功能也会更加方便，比如给某些 vip 等级的老板更快速的游戏体验啥的（我瞎说的）。

所以正确的做法，还是跟 TCP 一样，不管外面有多少个线程，还是并发加锁写到一个队列里，然后起一个单独的线程去做发送操作。

UDP 并发写加锁队列后再写 socket_fd

总结

1. 多线程并发读/写同一个 TCP socket 是线程安全的，因为 TCP socket 的读/写操作都上锁了。虽然线程安全，但依然不建议你这么做，因为TCP本身是基于数据流的协议，一份完整的消息数据可能会分开多次去写/读，内核的锁只保证单次读/写socket是线程安全，锁的粒度并不覆盖整个完整消息。因此建议用一个线程去读/写 TCP socket。

2. 多线程并发读/写同一个 UDP socket 也是线程安全的，因为UDP socket的读/写操作也都上锁了。UDP 写数据报的行为是"原子"的，不存在发一半包或收一半包的问题，要么整个包成功，要么整个包失败。因此多个线程同时读写，也就不会有 TCP 的问题。虽然如此，但还是建议用一个线程去读/写 UDP socket。