Linux webbench 源码解析

最新推荐文章于 2021-12-13 21:29:39 发布

彼岸之音

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分类专栏： Linux 文章标签： webbench 解析源码

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　　Web Bench是一个网站压力测试的工具。其最后更新时间是2004年，已经十年多了。其源代码总共才不到600行，全部使用C语言编写，最多可以模拟3万个并发连接。真可谓是简洁代码的代表之作。
　　
　　用法：可以在安装后直接输入 webbench 或 webbench -h 或 webbench –help. 可以看到：

webbench [option]... URL  
  -f|--force               Don't wait for reply from server.  
  -r|--reload              Send reload request - Pragma: no-cache.  
  -t|--time <sec>          Run benchmark for <sec> seconds. Default 30.  
  -p|--proxy <server:port> Use proxy server for request.  
  -c|--clients <n>         Run <n> HTTP clients at once. Default one.  
  -9|--http09              Use HTTP/0.9 style requests.  
  -1|--http10              Use HTTP/1.0 protocol.  
  -2|--http11              Use HTTP/1.1 protocol.  
  --get                    Use GET request method.  
  --head                   Use HEAD request method.  
  --options                Use OPTIONS request method.  
  --trace                  Use TRACE request method.  
  -?|-h|--help             This information.  
  -V|--version             Display program version.

　　说一下主要的几个选项：指定 -f 时不等待服务器数据返回， -t 为指定压力测试运行时间， -c 指定由多少个客户端发起测试请求。

　　-9 -1 -2 分别为指定 HTTP/0.9 HTTP/1.0 HTTP/1.1。
　　
　　Webbench的代码实现原理也是相当简单，就是一个父进程fork出很多个子进程，子进程分别去执行http测试，最后把执行结果汇总写入管道，父进程读取管道数据然后进行最终计算。整个工具的实现流程如下：
　　这里写图片描述
　　其源代码包括两个文件，非常简单，一个是socket.c，一个是webbench.c。其中，socket.c是用来建立socket连接的，webbench.c负责实现主要的功能。

socket.c源代码及注释：

[cpp] 
/* $Id: socket.c 1.1 1995/01/01 07:11:14 cthuang Exp $ 
 * 
 * This module has been modified by Radim Kolar for OS/2 emx 
 */ 

/*********************************************************************** 
  module:       socket.c 
  program:      popclient 
  SCCS ID:      @(#)socket.c    1.5  4/1/94 
  programmer:   Virginia Tech Computing Center 
  compiler:     DEC RISC C compiler (Ultrix 4.1) 
  environment:  DEC Ultrix 4.3  
  description:  UNIX sockets code. 
 ***********************************************************************/ 

#include <sys types.h="">  
#include <sys socket.h="">  
#include <fcntl.h>  
#include <netinet in.h="">  
#include   
#include <netdb.h>  
#include <sys time.h="">  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdarg.h>  
/*********** 
功能：通过地址和端口建立网络连接 
@host:网络地址 
@clientPort:端口 
Return：建立的socket连接。 
        如果返回-1，表示建立连接失败 
************/ 
int Socket(const char *host, int clientPort)  
{  
    int sock;  
    unsigned long inaddr;  
    struct sockaddr_in ad;  
    struct hostent *hp;  

    memset(&ad, 0, sizeof(ad));  
    ad.sin_family = AF_INET;  

    inaddr = inet_addr(host);//将点分的十进制的IP转为无符号长整形  
    if (inaddr != INADDR_NONE)  
        memcpy(&ad.sin_addr, &inaddr, sizeof(inaddr));  
    else//如果host是域名  
    {  
        hp = gethostbyname(host);//用域名获取IP  
        if (hp == NULL)  
            return -1;  
        memcpy(&ad.sin_addr, hp->h_addr, hp->h_length);  
    }  
    ad.sin_port = htons(clientPort);  

    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    if (sock < 0)  
        return sock;  
        //连接  
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&ad, sizeof(ad)) < 0)  
        return -1;  
    return sock;  
}

socket函数的大致内容如下：

int Socket(const char *host, int clientPort)
{
    //以host为服务器端ip，clientPort为服务器端口号建立socket连接
    //连接类型为TCP，使用IPv4网域
    //一旦出错，返回-1
    //正常连接，则返回socket描述符
}

　　Webbench.c中包含以下几个主要的函数：

static void usage(void)：提示Webbench的用法及命令
static void alarm_handler(int signal) ：信号处理函数，时钟结束时进行调用
void build_request(const char *url)：创建http连接请求
static int bench(void)：创建管道和子进程，调用测试http函数，实现父子进程通信并计算结果
void benchcore(const char *host,const int port,const char *req)：对http请求进行测试（子进程的具体工作）

主要流程：
　　1. 解析命令行参数，根据命令行指定参数设定变量，可以认为是初始化配置。
　　2.根据指定的配置构造 HTTP 请求报文格式。
　　3.开始执行 bench 函数，先进行一次 socket 连接建立与断开，测试是否可以正常访问。
　　4.建立管道，派生根据指定进程数派生子进程。
　　5.每个子进程调用 benchcore 函数，先通过 sigaction 安装信号，用 alarm 设置闹钟函数，到时间后会产生SIGALRM信号，调用信号处理函数使子进程停止。接着不断建立 socket 进行通信，与服务器交互数据，直到收到信号结束访问测试。子进程将访问测试结果写进管道。
　　6.父进程读取管道数据，汇总子进程信息，收到所有子进程消息后，输出汇总信息，结束。

程序调用的流程示意图

全局变量：

volatile int timerexpired=0;//判断压测时长是否已经到达设定的时间
int speed=0; //记录进程成功得到服务器响应的数量
int failed=0;//记录失败的数量（speed表示成功数，failed表示失败数）
int bytes=0;//记录进程成功读取的字节数
int http10=1;//http版本，0表示http0.9，1表示http1.0，2表示http1.1
int method=METHOD_GET; //默认请求方式为GET，也支持HEAD、OPTIONS、TRACE
int clients=1;//并发数目，默认只有1个进程发请求，通过-c参数设置
int force=0;//是否需要等待读取从server返回的数据，0表示要等待读取
int force_reload=0;//是否使用缓存，1表示不缓存，0表示可以缓存页面
int proxyport=80; //代理服务器的端口
char *proxyhost=NULL; //代理服务器的ip
int benchtime=30; //压测时间，默认30秒，通过-t参数设置
int mypipe[2]; //使用管道进行父进程和子进程的通信
char host[MAXHOSTNAMELEN]; //服务器端ip
char request[REQUEST_SIZE]; //所要发送的http请求

每个函数的具体分析：

（1）alarm_handler（）;

static void alarm_handler(int signal)
{
   timerexpired=1;
}

　　webbench在运行时可以设定压测的持续时间，以秒为单位。例如我们希望测试30秒，也就意味着压测30秒后程序应该退出了。webbench中使用信号（signal）来控制程序结束。函数alarm_handler()是在到达结束时间时运行的信号处理函数。它仅仅是将一个记录是否超时的变量timerexpired标记为true。后面会看到，在程序的while循环中会不断检测此值，只有timerexpired=1，程序才会跳出while循环并返回。
（2）static void usage(void);

static void usage(void)
{
   fprintf(stderr,
    "webbench [option]... URL\n"
    "  -f|--force               Don't wait for reply from server.\n"
    "  -r|--reload              Send reload request - Pragma: no-cache.\n"
    "  -t|--time <sec>          Run benchmark for <sec> seconds. Default 30.\n"
    "  -p|--proxy <server:port> Use proxy server for request.\n"
    "  -c|--clients <n>         Run <n> HTTP clients at once. Default one.\n"
    "  -9|--http09              Use HTTP/0.9 style requests.\n"
    "  -1|--http10              Use HTTP/1.0 protocol.\n"
    "  -2|--http11              Use HTTP/1.1 protocol.\n"
    "  --get                    Use GET request method.\n"
    "  --head                   Use HEAD request method.\n"
    "  --options                Use OPTIONS request method.\n"
    "  --trace                  Use TRACE request method.\n"
    "  -?|-h|--help             This information.\n"
    "  -V|--version             Display program version.\n"
    );
};

　　其中，-9 -1 -2 分别代表http0.9、http1.0和http1.1协议。webbench支持GET，HEAD，OPTIONS，TRACE四种请求方式。

（3）void build_request(const char *url);
　　
　　这个函数主要操作全局变量char request[REQUEST_SIZE]，根据url填充其内容。一个典型的http GET请求如下：

GET /test.jpg HTTP/1.1
User-Agent: WebBench 1.5
Host:192.168.10.1
Pragma: no-cache
Connection: close

　　build_request函数的目的就是要把类似于以上这一大坨信息全部存到全局变量request[REQUEST_SIZE]中，其中换行操作使用的是”\r\n”。而以上这一大坨信息的具体内容是要根据命令行输入的参数，以及url来确定的。该函数使用了大量的字符串操作函数，例如strcpy，strstr，strncasecmp，strlen，strchr，index，strncpy，strcat。

（4）主函数main();

int main(int argc, char *argv[])
{
    /*函数最开始，使用getopt_long函数读取命令行参数，来设置全局变量的值。
    关于getopt_long的具体使用方法，这里有一个配有讲解的小例子，可以帮助学习：
    http://blog.youkuaiyun.com/lanyan822/article/details/7692013
    在此期间如果出现错误，会调用函数(1)告知用户此工具使用方法，然后退出。
    */

    build_request(argv[optind]); 
    //参数读完后，argv[optind]即放在命令行最后的url
    //调用函数(2)建立完整的HTTP request，
    //HTTP request存储在全部变量char request[REQUEST_SIZE]

    /*接下来的部分，main函数的所有代码都是在网屏幕上打印此次测试的信息，
    例如即将测试多少秒，几个并发进程，使用哪个HTTP版本等。
    这些信息并非程序核心代码，因此我们也略去。
    */
    return bench(); 
    //简简单单一句话，原来，压力测试在这最后一句才真正开始！
    //所有的压测都在bench函数（即函数(5)）实现
}

（5）static int bench(void);

static int bench(void){
  int i,j,k;    
  pid_t pid=0;
  FILE *f;

  i=Socket(proxyhost==NULL?host:proxyhost,proxyport); 
  //调用了Socket.c文件中的函数
  if(i<0){ /*错误处理*/ }
  close(i);

  if(pipe(mypipe)){ /*错误处理*/ } //管道用于子进程向父进程回报数据
  for(i=0;i<clients;i++){...}
  }

　　函数先进行了一次socket连接，确认能连通以后，才进行后续步骤。调用pipe函数初始化一个管道，用于子进行向父进程汇报测试数据。子进程根据clients数量fork出来。每个子进程都调用函数（6）进行测试，并将结果输出到管道，供父进程读取。父进程负责收集所有子进程的测试数据，并汇总输出。
　　
（6）void benchcore(const char *host,const int port,const char *req);

void benchcore(const char *host,const int port,const char *req){
 int rlen;
 char buf[1500];//记录服务器响应请求所返回的数据
 int s,i;
 struct sigaction sa;

 sa.sa_handler=alarm_handler; //设置函数1为信号处理函数
 sa.sa_flags=0;
 if(sigaction(SIGALRM,&sa,NULL)) //超时会产生信号SIGALRM，用sa中的指定函数处理
    exit(3); 

 alarm(benchtime);//开始计时
 rlen=strlen(req);
 nexttry:while(1){
    if(timerexpired){//一旦超时则返回
       if(failed>0){failed--;}
       return;
    }
    s=Socket(host,port);//调用Socket函数建立TCP连接
    if(s<0) { failed++;continue;} 
    if(rlen!=write(s,req,rlen)) {failed++;close(s);continue;} //发出请求
      if(http10==0) //针对http0.9做的特殊处理
        if(shutdown(s,1)) { failed++;close(s);continue;}

    if(force==0){//全局变量force表示是否要等待服务器返回的数据
        while(1){
        if(timerexpired) break;
          i=read(s,buf,1500);//从socket读取返回数据
          if(i<0) { 
          failed++;
          close(s);
          goto nexttry;
        }else{
          if(i==0) break;
            else
              bytes+=i;
        }
        }
    }
    if(close(s)) {failed++;continue;}
    speed++;
 }
}

　　benchcore是子进程进行压力测试的函数，被每个子进程调用。这里使用了SIGALRM信号来控制时间，alarm函数设置了多少时间之后产生SIGALRM信号，一旦产生此信号，将运行函数（1），使得timerexpired=1，这样可以通过判断timerexpired值来退出程序。另外，全局变量force表示我们是否在发出请求后需要等待服务器的响应结果。

疑问及解答：

１、线程占用的空间比进程要小，而且线程切换的时间开销也小，但为什么程序的实现上采用的是fork进程而不是使用多线程呢？

答：因为默认情况下：主线程+辅助线程<253个自己的线程<=256，含主线程和一个辅助线程，最多255个，即一个用户只能生成253个线程。而进程的最大数目则跟系统本身限制相关。

2、webbench中在多个进程进行写管道的情况下，在代码中没有采取同步措施，程序是如何保持数据正确呢？

答：管道写的数据不大于 PIPE_BUF 时，系统可以保证写的原子性。在2.6.29内核中，\include\linux\limits.h定义：#define PIPE_BUF 4096

涉及到的知识点有：命令行参数解析（getopt_long）、信号处理（sigaction）、 socket 管道读写。

源码中的一些函数用法及启示

getoptlong（）：

在写程序时常常需要对命令行参数进行处理，当命令行参数个数较多时，如果按照顺序一个一个定义参数含义很容易造成混乱，而且如果程序只按顺序处理参数的话，一些“可选参数”的功能将很难实现。

在Linux中，可以使用getopt、getopt_long、getopt_long_only来对处理这个问题。

sleep（1）的功能：

让CPU能够空闲下来,不至于使CPU使用率一直高居不下；本线程放弃cpu时间片，其他线程处理之后，再开始本线程，多线程处理socket接收发送的时候经常这样处理，防止接收发送出现问题。