11. 如何关闭连接？优雅 VS 粗暴

作者: 日落_3d9f | 来源:发表于2019-11-26 16:16 被阅读0次

上一讲我们讲到了 TCP 的四次挥手，其中发起连接关闭的一方会有一段时间处于 TIME_WAIT 状态。那么究竟如何来发起连接关闭呢？这一讲我们就来讨论一下。

我们知道，一个 TCP 连接需要经过三次握手进入数据传输阶段，最后来到连接关闭阶段。在最后的连接关闭阶段，我们需要重点关注的是“半连接”状态。

因为 TCP 是双向的，这里说的方向，指的是数据流的写入 - 读出的方向。

比如客户端到服务器端的方向，指的是客户端通过套接字接口，向服务器端发送 TCP 报文；而服务器端到客户端方向则是另一个传输方向。在绝大数情况下，TCP 连接都是先关闭一个方向，此时另外一个方向还是可以正常进行数据传输。

举个例子，客户端主动发起连接的中断，将自己到服务器端的数据流方向关闭，此时，客户端不再往服务器端写入数据，服务器端读完客户端数据后就不会再有新的报文到达。但这并不意味着，TCP 连接已经完全关闭，很有可能的是，服务器端正在对客户端的最后报文进行处理，比如去访问数据库，存入一些数据；或者是计算出某个客户端需要的值，当完成这些操作之后，服务器端把结果通过套接字写给客户端，我们说这个套接字的状态此时是“半关闭”的。最后，服务器端才有条不紊地关闭剩下的半个连接，结束这一段 TCP 连接的使命。

当然，我这里描述的，是服务器端“优雅”地关闭了连接。如果服务器端处理不好，就会导致最后的关闭过程是“粗暴”的，达不到我们上面描述的“优雅”关闭的目标，形成的后果，很可能是服务器端处理完的信息没办法正常传送给客户端，破坏了用户侧的使用场景。

接下来我们就来看看关闭连接时，都有哪些方式呢？

close 函数

首先，我们来看最常见的 close 函数：

int  close(int sockfd)

这个函数很简单，对已连接的套接字执行 close 操作就可以，若成功则为 0，若出错则为 -1。

这个函数会对套接字引用计数减一，一旦发现套接字引用计数到 0，就会对套接字进行彻底释放，并且会关闭 TCP 两个方向的数据流。

套接字引用计数是什么意思呢？因为套接字可以被多个进程共享，你可以理解为我们给每个套接字都设置了一个积分，如果我们通过 fork 的方式产生子进程，套接字就会积分 +1，如果我们调用一次 close 函数，套接字积分就会 -1。这就是套接字引用计数的含义。

close 函数具体是如何关闭两个方向的数据流呢？

在输入方向，系统内核会将该套接字设置为不可读，任何读操作都会返回异常。

在输出方向，系统内核尝试将发送缓冲区的数据发送给对端，并最后向对端发送一个 FIN 报文，接下来如果再对该套接字进行写操作会返回异常。

如果对端没有检测到套接字已关闭，还继续发送报文，就会收到一个 RST 报文，告诉对端：“Hi, 我已经关闭了，别再给我发数据了。”

我们会发现，close 函数并不能帮助我们关闭连接的一个方向，那么如何在需要的时候关闭一个方向呢？幸运的是，设计 TCP 协议的人帮我们想好了解决方案，这就是 shutdown 函数。

shutdown 函数

shutdown 函数的原型是这样的：

int  shutdown(int sockfd, int howto)

对已连接的套接字执行 shutdown 操作，若成功则为 0，若出错则为 -1。

howto 是这个函数的设置选项，它的设置有三个主要选项：

SHUT_RD(0)：关闭连接的“读”这个方向，对该套接字进行读操作直接返回 EOF。从数据角度来看，套接字上接收缓冲区已有的数据将被丢弃，如果再有新的数据流到达，会对数据进行 ACK，然后悄悄地丢弃。也就是说，对端还是会接收到 ACK，在这种情况下根本不知道数据已经被丢弃了。
SHUT_WR(1)：关闭连接的“写”这个方向，这就是常被称为”半关闭“的连接。此时，不管套接字引用计数的值是多少，都会直接关闭连接的写方向。套接字上发送缓冲区已有的数据将被立即发送出去，并发送一个 FIN 报文给对端。应用程序如果对该套接字进行写操作会报错。
SHUT_RDWR(2)：相当于 SHUT_RD 和 SHUT_WR 操作各一次，关闭套接字的读和写两个方向。

讲到这里，不知道你是不是有和我当初一样的困惑，使用 SHUT_RDWR 来调用 shutdown 不是和 close 基本一样吗，都是关闭连接的读和写两个方向。

其实，这两个还是有差别的。

第一个差别：close 会关闭连接，并释放所有连接对应的资源，而 shutdown 并不会释放掉套接字和所有的资源。

第二个差别：close 存在引用计数的概念，并不一定导致该套接字不可用；shutdown 则不管引用计数，直接使得该套接字不可用，如果有别的进程企图使用该套接字，将会受到影响。

第三个差别：close 的引用计数导致不一定会发出 FIN 结束报文，而 shutdown 则总是会发出 FIN 结束报文，这在我们打算关闭连接通知对端的时候，是非常重要的。

体会 close 和 shutdown 的差别

下面，我们通过构建一组客户端和服务器程序，来进行 close 和 shutdown 的实验。

客户端程序，从标准输入不断接收用户输入，把输入的字符串通过套接字发送给服务器端，同时，将服务器端的应答显示到标准输出上。

如果用户输入了“close”，则会调用 close 函数关闭连接，休眠一段时间，等待服务器端处理后退出；如果用户输入了“shutdown”，调用 shutdown 函数关闭连接的写方向，注意我们不会直接退出，而是会继续等待服务器端的应答，直到服务器端完成自己的操作，在另一个方向上完成关闭。

在这里，我们会第一次接触到 select 多路复用，这里不展开讲，你只需要记住，使用 select 使得我们可以同时完成对连接套接字和标准输入两个 I/O 对象的处理。


# include "lib/common.h"
# define    MAXLINE     4096

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: graceclient <IPaddress>");
    }
    
    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);

    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);
    int connect_rt = connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len);
    if (connect_rt < 0) {
        error(1, errno, "connect failed ");
    }

    char send_line[MAXLINE], recv_line[MAXLINE + 1];
    int n;

    fd_set readmask;
    fd_set allreads;

    FD_ZERO(&allreads);
    FD_SET(0, &allreads);
    FD_SET(socket_fd, &allreads);
    for (;;) {
        readmask = allreads;
        int rc = select(socket_fd + 1, &readmask, NULL, NULL, NULL);
        if (rc <= 0)
            error(1, errno, "select failed");
        if (FD_ISSET(socket_fd, &readmask)) {
            n = read(socket_fd, recv_line, MAXLINE);
            if (n < 0) {
                error(1, errno, "read error");
            } else if (n == 0) {
                error(1, 0, "server terminated \n");
            }
            recv_line[n] = 0;
            fputs(recv_line, stdout);
            fputs("\n", stdout);
        }
        if (FD_ISSET(0, &readmask)) {
            if (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
                if (strncmp(send_line, "shutdown", 8) == 0) {
                    FD_CLR(0, &allreads);
                    if (shutdown(socket_fd, 1)) {
                        error(1, errno, "shutdown failed");
                    }
                } else if (strncmp(send_line, "close", 5) == 0) {
                    FD_CLR(0, &allreads);
                    if (close(socket_fd)) {
                        error(1, errno, "close failed");
                    }
                    sleep(6);
                    exit(0);
                } else {
                    int i = strlen(send_line);
                    if (send_line[i - 1] == '\n') {
                        send_line[i - 1] = 0;
                    }

                    printf("now sending %s\n", send_line);
                    size_t rt = write(socket_fd, send_line, strlen(send_line));
                    if (rt < 0) {
                        error(1, errno, "write failed ");
                    }
                    printf("send bytes: %zu \n", rt);
                }

            }
        }

    }

}

我对这个程序的细节展开解释一下：

第一部分是套接字的创建和 select 初始工作：

9-10 行创建了一个 TCP 套接字；
12-16 行设置了连接的目标服务器 IPv4 地址，绑定到了指定的 IP 和端口；
18-22 行使用创建的套接字，向目标 IPv4 地址发起连接请求；
30-32 行为使用 select 做准备，初始化描述字集合，这部分我会在后面详细解释，这里就不再深入。

第二部分是程序的主体部分，从 33-80 行，使用 select 多路复用观测在连接套接字和标准输入上的 I/O 事件，其中：

38-48 行：当连接套接字上有数据可读，将数据读入到程序缓冲区中。40-41 行，如果有异常则报错退出；42-43 行如果读到服务器端发送的 EOF 则正常退出。
49-77 行：当标准输入上有数据可读，读入后进行判断。如果输入的是“shutdown”，则关闭标准输入的 I/O 事件感知，并调用 shutdown 函数关闭写方向；如果输入的是”close“，则调用 close 函数关闭连接；64-74 行处理正常的输入，将回车符截掉，调用 write 函数，通过套接字将数据发送给服务器端。

服务器端程序稍微简单一点，连接建立之后，打印出接收的字节，并重新格式化后，发送给客户端。

服务器端程序有一点需要注意，那就是对 SIGPIPE 这个信号的处理。后面我会结合程序的结果展开说明。

#include "lib/common.h"

static int count;

static void sig_int(int signo) {
    printf("\nreceived %d datagrams\n", count);
    exit(0);
}

int main(int argc, char **argv) {
    int listenfd;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    int rt1 = bind(listenfd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
    if (rt1 < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    int rt2 = listen(listenfd, LISTENQ);
    if (rt2 < 0) {
        error(1, errno, "listen failed ");
    }

    signal(SIGINT, sig_int);
    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

    int connfd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);

    if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len)) < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    char message[MAXLINE];
    count = 0;

    for (;;) {
        int n = read(connfd, message, MAXLINE);
        if (n < 0) {
            error(1, errno, "error read");
        } else if (n == 0) {
            error(1, 0, "client closed \n");
        }
        message[n] = 0;
        printf("received %d bytes: %s\n", n, message);
        count++;

        char send_line[MAXLINE];
        sprintf(send_line, "Hi, %s", message);

        sleep(5);

        int write_nc = send(connfd, send_line, strlen(send_line), 0);
        printf("send bytes: %zu \n", write_nc);
        if (write_nc < 0) {
            error(1, errno, "error write");
        }
    }
}

服务器端程序的细节也展开解释一下：

第一部分是套接字和连接创建过程：

11-12 行创建了一个 TCP 套接字；
14-18 行设置了本地服务器 IPv4 地址，绑定到了 ANY 地址和指定的端口；
20-40 行使用创建的套接字，以此执行 bind、listen 和 accept 操作，完成连接建立。

第二部分是程序的主体，通过 read 函数获取客户端传送来的数据流，并回送给客户端：

51-52 行显示收到的字符串，在 56 行对原字符串进行重新格式化，之后调用 send 函数将数据发送给客户端。注意，在发送之前，让服务器端程序休眠了 5 秒，以模拟服务器端处理的时间。

我们启动服务器，再启动客户端，依次在标准输入上输入 data1、data2 和 close，观察一段时间后我们看到：

close测试

客户端依次发送了 data1 和 data2，服务器端也正常接收到 data1 和 data2。在客户端 close 掉整个连接之后，服务器端接收到 SIGPIPE 信号，直接退出。客户端并没有收到服务器端的应答数据(客户端第一次发送data1的时候，客户端停留5秒，收到了服务器端返回的数据"Hi，data1"; 第二次发送数据的时候，没做停留接着发送“data2”数据，服务器收到后直接退出，并监测到client已经关闭)。

我在下面放了一张图，这张图详细解释了客户端和服务器端交互的时序图。因为客户端调用 close 函数关闭了整个连接，当服务器端发送的“Hi, data1”分组到底时，客户端给回送一个 RST 分组；服务器端再次尝试发送“Hi, data2”第二个应答分组时，系统内核通知 SIGPIPE 信号。这是因为，在 RST 的套接字进行写操作，会直接触发 SIGPIPE 信号。

这回知道你的程序莫名奇妙终止的原因了吧。

close和shutdown场景测试

我们可以像这样注册一个信号处理函数，对 SIGPIPE 信号进行处理，避免程序莫名退出：

static void sig_pipe(int signo) {
    printf("\nreceived %d datagrams\n", count);
    exit(0);
}
signal(SIGINT, sig_pipe);

接下来，再次启动服务器，再启动客户端，依次在标准输入上输入 data1、data2 和 shutdown 函数，首先会出现如下的截图：

shutdown client关闭前

观察一段时间后我们看到：

shutdown关闭后

和前面的结果不同，服务器端输出了 data1、data2；客户端也输出了“Hi,data1”和“Hi,data2”，客户端和服务器端各自完成了自己的工作后，正常退出。

我们再看下客户端和服务器端交互的时序图。因为客户端调用 shutdown 函数只是关闭连接的一个方向，服务器端到客户端的这个方向还可以继续进行数据的发送和接收，所以“Hi,data1”和“Hi,data2”都可以正常传送；当服务器端读到 EOF 时，立即向客户端发送了 FIN 报文，客户端在 read 函数中感知了 EOF，也进行了正常退出。

总结

在这一讲中，我们讲述了 close 函数关闭连接的方法，使用 close 函数关闭连接有两个需要明确的地方。

close 函数只是把套接字引用计数减 1，未必会立即关闭连接；
close 函数如果在套接字引用计数达到 0 时，立即终止读和写两个方向的数据传送。

基于这两个确定，在期望关闭连接其中一个方向时，应该使用 shutdown 函数。

思考题

第一道题，你可以看到在今天的服务器端程序中，直接调用exit(0)完成了 FIN 报文的发送，这是为什么呢？为什么不调用 close 函数或 shutdown 函数呢？
答：因为在调用exit之后进程会退出，而进程相关的所有的资源，文件，内存，信号等内核分配的资源都会被释放，在linux中，一切皆文件，本身socket就是一种文件类型，内核会为每一个打开的文件创建file结构并维护指向改结构的引用计数，每一个进程结构中都会维护本进程打开的文件数组，数组下标就是fd，内容就指向上面的file结构，close本身就可以用来操作所有的文件，做的事就是，删除本进程打开的文件数组中指定的fd项，并把指向的file结构中的引用计数减一，等引用计数为0的时候，就会调用内部包含的文件操作close，针对于socket，它内部的实现应该就是调用shutdown，只是参数是关闭读写端，从而比较粗暴的关闭连接。

第二道题关于关于信号量处理，今天的程序中，使用的是SIG_IGN默认处理，你知道默认处理和自定义函数处理的区别吗？不妨查查资料，了解一下。
答：信号的处理有三种，默认处理，忽略处理，自定义处理。默认处理就是采用系统自定义的操作，大部分信号的默认处理都是杀死进程，忽略处理就是当做什么都没有发生。

11. 如何关闭连接？优雅 VS 粗暴

close 函数

shutdown 函数

体会 close 和 shutdown 的差别

总结

思考题

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