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TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程中socket的行為
想要熟練掌握Linux下的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程，至少有三個層面的知識需要熟悉：
1. TCP/IP協(xié)議（如連接的建立和終止、重傳和確認(rèn)、滑動窗口和擁塞控制等等）
2. Socket I/O系統(tǒng)調(diào)用（重點如read/write），這是TCP/IP協(xié)議在應(yīng)用層表現(xiàn)出來的行為。
3. 編寫Performant, Scalable的服務(wù)器程序。包括多線程、IO Multiplexing、非阻塞、異步等各種技術(shù)。
關(guān)于TCP/IP協(xié)議，建議參考Richard Stevens的《TCP/IP Illustrated，vol1》（TCP/IP詳解卷1）。
關(guān)于第二層面，依然建議Richard Stevens的《Unix network proggramming，vol1》（Unix網(wǎng)絡(luò)編程卷1），這兩本書公認(rèn)是Unix網(wǎng)絡(luò)編程的圣經(jīng)。
至于第三個層面，UNP的書中有所提及，也有著名的C10K問題，業(yè)界也有各種各樣的框架和解決方案，本人才疏學(xué)淺，在這里就不一一敷述。
本文的重點在于第二個層面，主要總結(jié)一下Linux下TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程中的read/write系統(tǒng)調(diào)用的行為，知識來源于自己網(wǎng)絡(luò)編程的粗淺經(jīng)驗和對《Unix網(wǎng)絡(luò)編程卷1》相關(guān)章節(jié)的總結(jié)。由于本人接觸Linux下網(wǎng)絡(luò)編程時間不長，錯誤和疏漏再所難免，望看官不吝賜教。
一. read/write 的語義：為什么會阻塞？
先從write說起：
#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
首先，write成功返回，只是buf中的數(shù)據(jù)被復(fù)制到了kernel中的TCP發(fā)送緩沖區(qū)。至于數(shù)據(jù)什么時候被發(fā)往網(wǎng)絡(luò)，什么時候被對方主機(jī)接收，什么時候被對方進(jìn)程讀取，系統(tǒng)調(diào)用層面不會給予任何保證和通知。
write在什么情況下會阻塞？當(dāng)kernel的該socket的發(fā)送緩沖區(qū)已滿時。對于每個socket，擁有自己的send buffer和receive buffer。從Linux 2.6開始，兩個緩沖區(qū)大小都由系統(tǒng)來自動調(diào)節(jié)（autotuning），但一般在default和max之間浮動。
# 獲取socket的發(fā)送/接受緩沖區(qū)的大�。海ê竺娴闹凳窃谖以贚inux 2.6.38 x86_64上測試的結(jié)果）
sysctl net.core.wmem_default #126976
sysctl net.core.wmem_max #131071
sysctl net.core.wmem_default #126976
sysctl net.core.wmem_max #131071
已經(jīng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)依然需要暫存在send buffer中，只有收到對方的ack后，kernel才從buffer中清除這一部分?jǐn)?shù)據(jù)，為后續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)騰出空間。接收端將收到的數(shù)據(jù)暫存在receive buffer中，自動進(jìn)行確認(rèn)。但如果socket所在的進(jìn)程不及時將數(shù)據(jù)從receive buffer中取出，最終導(dǎo)致receive buffer填滿，由于TCP的滑動窗口和擁塞控制，接收端會阻止發(fā)送端向其發(fā)送數(shù)據(jù)。這些控制皆發(fā)生在TCP/IP棧中，對應(yīng)用程序是透明的，應(yīng)用程序繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致send buffer填滿，write調(diào)用阻塞。
一般來說，由于接收端進(jìn)程從socket讀數(shù)據(jù)的速度跟不上發(fā)送端進(jìn)程向socket寫數(shù)據(jù)的速度，最終導(dǎo)致發(fā)送端write調(diào)用阻塞。
而read調(diào)用的行為相對容易理解，從socket的receive buffer中拷貝數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序的buffer中。read調(diào)用阻塞，通常是發(fā)送端的數(shù)據(jù)沒有到達(dá)。
二. blocking（默認(rèn)）和nonblock模式下 read/write 行為的區(qū)別：
將socket fd設(shè)置為nonblock（非阻塞）是在服務(wù)器編程中常見的做法，采用blocking IO并為每一個client創(chuàng)建一個線程的模式開銷巨大且可擴(kuò)展性不佳（帶來大量的切換開銷），更為通用的做法是采用線程池+Nonblock I/O+Multiplexing（select/poll，以及Linux上特有的epoll）。
// 設(shè)置一個文件描述符為nonblock
int set_nonblocking(int fd)
{
int flags;
if ((flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) == -1)
flags = 0;
return fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
}
幾個重要的結(jié)論：
1. read總是在接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時立即返回，而不是等到給定的read buffer填滿時返回。
只有當(dāng)receive buffer為空時，blocking模式才會等待，而nonblock模式下會立即返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）
2. blocking的write只有在緩沖區(qū)足以放下整個buffer時才返回（與blocking read并不相同）
nonblock write則是返回能夠放下的字節(jié)數(shù)，之后調(diào)用則返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）
對于blocking的write有個特例：當(dāng)write正阻塞等待時對面關(guān)閉了socket，則write則會立即將剩余緩沖區(qū)填滿并返回所寫的字節(jié)數(shù)，再次調(diào)用則write失敗（connection reset by peer），這正是下個小節(jié)要提到的：
三. read/write對連接異常的反饋行為：
對應(yīng)用程序來說，與另一進(jìn)程的TCP通信其實是完全異步的過程：
1. 我并不知道對面什么時候、能否收到我的數(shù)據(jù)
2. 我不知道什么時候能夠收到對面的數(shù)據(jù)
3. 我不知道什么時候通信結(jié)束（主動退出或是異常退出、機(jī)器故障、網(wǎng)絡(luò)故障等等）
對于1和2，采用write() -> read() -> write() -> read() ->…的序列，通過blocking read或者nonblock read+輪詢的方式，應(yīng)用程序基于可以保證正確的處理流程。
對于3，kernel將這些事件的“通知”通過read/write的結(jié)果返回給應(yīng)用層。
假設(shè)A機(jī)器上的一個進(jìn)程a正在和B機(jī)器上的進(jìn)程b通信：某一時刻a正阻塞在socket的read調(diào)用上（或者在nonblock下輪詢socket）
當(dāng)b進(jìn)程終止時，無論應(yīng)用程序是否顯式關(guān)閉了socket（OS會負(fù)責(zé)在進(jìn)程結(jié)束時關(guān)閉所有的文件描述符，對于socket，則會發(fā)送一個FIN包到對面）。
”同步通知“：進(jìn)程a對已經(jīng)收到FIN的socket調(diào)用read，如果已經(jīng)讀完了receive buffer的剩余字節(jié)，則會返回EOF:0
”異步通知“：如果進(jìn)程a正阻塞在read調(diào)用上（前面已經(jīng)提到，此時receive buffer一定為空，因為read在receive buffer有內(nèi)容時就會返回），則read調(diào)用立即返回EOF，進(jìn)程a被喚醒。
socket在收到FIN后，雖然調(diào)用read會返回EOF，但進(jìn)程a依然可以其調(diào)用write，因為根據(jù)TCP協(xié)議，收到對方的FIN包只意味著對方不會再發(fā)送任何消息。 在一個雙方正常關(guān)閉的流程中，收到FIN包的一端將剩余數(shù)據(jù)發(fā)送給對面（通過一次或多次write），然后關(guān)閉socket。
但是事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有想象中簡單。優(yōu)雅地（gracefully)關(guān)閉一個TCP連接，不僅僅需要雙方的應(yīng)用程序遵守約定，中間還不能出任何差錯。
假如b進(jìn)程是異常終止的，發(fā)送FIN包是OS代勞的，b進(jìn)程已經(jīng)不復(fù)存在，當(dāng)機(jī)器再次收到該socket的消息時，會回應(yīng)RST（因為擁有該socket的進(jìn)程已經(jīng)終止）。a進(jìn)程對收到RST的socket調(diào)用write時，操作系統(tǒng)會給a進(jìn)程發(fā)送SIGPIPE，默認(rèn)處理動作是終止進(jìn)程，知道你的進(jìn)程為什么毫無征兆地死亡了吧：）
from 《Unix Network programming, vol1》 3rd Edition：
“It is okay to write to a socket that has received a FIN, but it is an error to write to a socket that has received an RST.”
通過以上的敘述，內(nèi)核通過socket的read/write將雙方的連接異常通知到應(yīng)用層，雖然很不直觀，似乎也夠用。
這里說一句題外話：
不知道有沒有同學(xué)會和我有一樣的感慨：在寫TCP/IP通信時，似乎沒怎么考慮連接的終止或錯誤，只是在read/write錯誤返回時關(guān)閉socket，程序似乎也能正常運行，但某些情況下總是會出奇怪的問題。想完美處理各種錯誤，卻發(fā)現(xiàn)怎么也做不對。
原因之一是：socket（或者說TCP/IP棧本身）對錯誤的反饋能力是有限的。
考慮這樣的錯誤情況：
不同于b進(jìn)程退出（此時OS會負(fù)責(zé)為所有打開的socket發(fā)送FIN包），當(dāng)B機(jī)器的OS崩潰（注意不同于人為關(guān)機(jī)，因為關(guān)機(jī)時所有進(jìn)程的退出動作依然能夠得到保證）/主機(jī)斷電/網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)時，a進(jìn)程根本不會收到FIN包作為連接終止的提示。
如果a進(jìn)程阻塞在read上，那么結(jié)果只能是永遠(yuǎn)的等待。
如果a進(jìn)程先write然后阻塞在read，由于收不到B機(jī)器TCP/IP棧的ack，TCP會持續(xù)重傳12次（時間跨度大約為9分鐘），然后在阻塞的read調(diào)用上返回錯誤：ETIMEDOUT/EHOSTUNREACH/ENETUNREACH
假如B機(jī)器恰好在某個時候恢復(fù)和A機(jī)器的通路，并收到a某個重傳的pack，因為不能識別所以會返回一個RST，此時a進(jìn)程上阻塞的read調(diào)用會返回錯誤ECONNREST
恩，socket對這些錯誤還是有一定的反饋能力的，前提是在對面不可達(dá)時你依然做了一次write調(diào)用，而不是輪詢或是阻塞在read上，那么總是會在重傳的周期內(nèi)檢測出錯誤。如果沒有那次write調(diào)用，應(yīng)用層永遠(yuǎn)不會收到連接錯誤的通知。
write的錯誤最終通過read來通知應(yīng)用層，有點陰差陽錯？
四. 還需要做什么?
至此，我們知道了僅僅通過read/write來檢測異常情況是不靠譜的，還需要一些額外的工作：
1. 使用TCP的KEEPALIVE功能？
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time
7200
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl
75
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes
9
以上參數(shù)的大致意思是：keepalive routine每2小時（7200秒）啟動一次，發(fā)送第一個probe（探測包），如果在75秒內(nèi)沒有收到對方應(yīng)答則重發(fā)probe，當(dāng)連續(xù)9個probe沒有被應(yīng)答時，認(rèn)為連接已斷。（此時read調(diào)用應(yīng)該能夠返回錯誤，待測試）
但在我印象中keepalive不太好用，默認(rèn)的時間間隔太長，又是整個TCP/IP棧的全局參數(shù)：修改會影響其他進(jìn)程，Linux的下似乎可以修改per socket的keepalive參數(shù)？（希望有使用經(jīng)驗的人能夠指點一下），但是這些方法不是portable的。
2. 進(jìn)行應(yīng)用層的心跳
嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)程序中，應(yīng)用層的心跳協(xié)議是必不可少的。雖然比TCP自帶的keep alive要麻煩不少，但有其最大的優(yōu)點：可控。
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