浅谈TCP/IP网络编程中socket的行为

一. read/write的语义：为什么会阻塞？

先从write说起：

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

首先，write成功返回，只是buf中的数据被复制到了kernel中的TCP发送缓冲区。至于数据什么时候被发往网络，什么时候被对方主机接收，什么时候被对方进程读取，系统调用层面不会给予任何保证和通知。

write在什么情况下会阻塞？当kernel的该socket的发送缓冲区已满时。对于每个socket，拥有自己的send buffer和receive buffer。

已经发送到网络的数据依然需要暂存在send buffer中，只有收到对方的ack后，kernel才从buffer中清除这一部分数据，为后续发送数据腾出空间。接收端将收到的数据暂存在receive buffer中，自动进行确认。但如果socket所在的进程不及时将数据从receive buffer中取出，最终导致receive buffer填满，由于TCP的滑动窗口和拥塞控制，接收端会阻止发送端向其发送数据。这些控制皆发生在TCP/IP栈中，对应用程序是透明的，应用程序继续发送数据，最终导致send buffer填满，write调用阻塞。

一般来说，由于接收端进程从socket读数据的速度跟不上发送端进程向socket写数据的速度，最终导致发送端write调用阻塞。

而read调用的行为相对容易理解，从socket的receive buffer中拷贝数据到应用程序的buffer中。read调用阻塞，通常是发送端的数据没有到达。

二. blocking（默认）和nonblock模式下read/write行为的区别：

将socket fd设置为nonblock（非阻塞）是在服务器编程中常见的做法，采用blocking IO并为每一个client创建一个线程的模式开销巨大且可扩展性不佳（带来大量的切换开销），更为通用的做法是采用线程池+Nonblock I/O+Multiplexing（select/poll，以及Linux上特有的epoll）=>线程只会阻塞在多路复用，不会阻塞在某个socket处,如果采用阻塞I/O,线程可能会阻塞在某个socket处，其他就绪的socket得不到处理

// 设置一个文件描述符为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);
}

几个重要的结论：

1. read总是在接收缓冲区有数据时立即返回，而不是等到给定的read buffer填满时返回。

只有当receive buffer为空时，blocking模式才会等待，而nonblock模式下会立即返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）我的理解：只有对接收到fin包的socket调用read，才会返回0

2. blocking的write只有在发送缓冲区足以放下整个buffer时才返回（与blocking read并不相同）

nonblock write则是返回能够放下的字节数，之后调用则返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）

对于blocking的write有个特例：当write正阻塞等待时对面关闭了socket，则write则会立即将剩余缓冲区填满并返回所写的字节数，再次调用则write失败（connection reset by peer），这正是下个小节要提到的

三. read/write对连接异常的反馈行为：

对应用程序来说，与另一进程的TCP通信其实是完全异步的过程：

1. 我并不知道对面什么时候、能否收到我的数据

2. 我不知道什么时候能够收到对面的数据

3. 我不知道什么时候通信结束（主动退出或是异常退出、机器故障、网络故障等等）

对于1和2，采用write() -> read() -> write() -> read() ->...的序列，通过blocking read或者nonblock read+轮询的方式，应用程序基于可以保证正确的处理流程。

对于3，kernel将这些事件的“通知”通过read/write的结果返回给应用层(即应用程序通过read/write的结果来判断通信是否结束)。

假设A机器上的一个进程a正在和B机器上的进程b通信：某一时刻a正阻塞在socket的read调用上（或者在nonblock下轮询socket）

当b进程终止时，无论应用程序是否显式关闭了socket（OS会负责在进程结束时关闭所有的文件描述符，对于socket，则会发送一个FIN包到对面）。

”同步通知“：进程a对已经收到FIN的socket调用read，如果已经读完了receive buffer的剩余字节，则会返回EOF:0

”异步通知“：如果进程a正阻塞在read调用上（前面已经提到，此时receive buffer一定为空，因为read在receive buffer有内容时就会返回），则read调用立即返回EOF，进程a被唤醒。

socket在收到FIN后，虽然调用read会返回EOF，但进程a依然可以调用write，因为根据TCP协议，收到对方的FIN包只意味着对方不会再发送任何消息。在一个双方正常关闭的流程中，收到FIN包的一端将剩余数据发送给对面（通过一次或多次write），然后关闭socket。(以上是对方正常关闭socket)

但是事情远远没有想象中简单。优雅地（gracefully)关闭一个TCP连接，不仅仅需要双方的应用程序遵守约定，中间还不能出任何差错。

假如b进程是异常终止的，发送FIN包是OS代劳的，b进程已经不复存在，当机器再次收到该socket的消息时，会回应RST（因为拥有该socket的进程已经终止）。a进程对收到RST的socket调用write时，操作系统会给a进程发送SIGPIPE，默认处理动作是终止进程，知道你的进程为什么毫无征兆地死亡了吧：）

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."

通过以上的叙述，内核通过socket的read/write将双方的连接异常通知到应用层，虽然很不直观，似乎也够用。

考虑这样的错误情况：

不同于b进程退出（此时OS会负责为所有打开的socket发送FIN包），当B机器的OS崩溃（注意不同于人为关机，因为关机时所有进程的退出动作依然能够得到保证）/主机断电/网络不可达时，a进程根本不会收到FIN包作为连接终止的提示。(下面是对面没有发送FIN包的情况，上面是对面发送了FIN包的情况(进程or操作系统发送))

如果a进程阻塞在read上，那么结果只能是永远的等待。

如果a进程先write然后阻塞在read，由于收不到B机器TCP/IP栈的ack，TCP会持续重传12次（时间跨度大约为9分钟），然后在阻塞的read调用上返回错误：ETIMEDOUT/EHOSTUNREACH/ENETUNREACH

假如B机器恰好在某个时候恢复和A机器的通路，并收到a某个重传的pack，因为不能识别所以会返回一个RST，此时a进程上阻塞的read调用会返回错误ECONNREST

恩，socket对这些错误还是有一定的反馈能力的，前提是在对面不可达时你依然做了一次write调用，而不是轮询或是阻塞在read上，那么总是会在重传的周期内检测出错误。如果没有那次write调用，应用层永远不会收到连接错误的通知。

四. 还需要做什么?

至此，我们知道了仅仅通过read/write来检测异常情况是不靠谱的，还需要一些额外的工作：

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

以上参数的大致意思是：keepalive routine每2小时（7200秒）启动一次，发送第一个probe（探测包），如果在75秒内没有收到对方应答则重发probe，当连续9个probe没有被应答时，认为连接已断。（此时read调用应该能够返回错误，待测试）

但在我印象中keepalive不太好用，默认的时间间隔太长，又是整个TCP/IP栈的全局参数：修改会影响其他进程，Linux的下似乎可以修改per socket的keepalive参数？（希望有使用经验的人能够指点一下），但是这些方法不是portable的。

2. 进行应用层的心跳

严格的网络程序中，应用层的心跳协议是必不可少的。虽然比TCP自带的keep alive要麻烦不少（怎样正确地实现应用层的心跳，我或许会用一篇专门的文章来谈一谈），但有其最大的优点：可控。

当然，也可以简单一点，针对连接做timeout，关闭一段时间没有通信的”空闲“连接。这里可以参考一篇文章：

Muduo 网络编程示例之八：Timing wheel 踢掉空闲连接 by 陈硕

转自：http://www.cnblogs.com/promise6522/archive/2012/03/03/2377935.html

socket可读可写条件：

要了解socket可读可写条件，我们先了解几个概念：
1.接收缓存区低水位标记（用于读）和发送缓存区低水位标记（用于写）：

每个套接字有一个接收低水位和一个发送低水位。他们由select函数使用。

接收低水位标记是让select返回"可读"时套接字接收缓冲区中所需的数据量。对于TCP,其默认值为1。

发送低水位标记是让select返回"可写"时套接字发送缓冲区中所需的可用空间。对于TCP，其默认值常为2048.

2.FIN: (结束标志,Finish)用来结束一个TCP回话.但对应端口仍处于开放状态,准备接收后续数据.

首先来看看socket可读的条件.

一、下列四个条件中的任何一个满足时,socket准备好读:
1. socket的接收缓冲区中的数据字节大于等于该socket的接收缓冲区低水位标记的当前大小。对这样的socket的读操作将不阻塞并返回一个大于0的值(也就是返回准备好读入的数据)。我们可以用SO_RCVLOWATsocket选项来设置该socket的低水位标记。对于TCP和UDP .socket而言，其缺省值为1.

2. 该连接的读这一半关闭(也就是接收了FIN的TCP连接)。对这样的socket的读操作将不阻塞并返回0

3.socket是一个用于监听的socket,并且已经完成的连接数为非0.这样的soocket处于可读状态(即有客户连接到达，但还没有accept),是因为socket收到了对方的connect请求,执行了三次握手的第一步:对方发送SYN请求过来,使监听socket处于可读状态;正常情况下,这样的socket上的accept操作不会阻塞;

4.有一个socket有异常错误条件待处理.对于这样的socket的读操作将不会阻塞,并且返回一个错误(-1),errno则设置成明确的错误条件.这些待处理的错误也可通过指定socket选项SO_ERROR调用getsockopt来取得并清除;

再来看看socket可写的条件.

二、下列三个条件中的任何一个满足时,socket准备好写:

1. socket的发送缓冲区中的可用数据字节大于等于该socket的发送缓冲区低水位标记的当前大小。对这样的socket的写操作将不阻塞并返回一个大于0的值(也就是返回准备好写入的数据)。我们可以用SO_SNDLOWAT socket选项来设置该socket的低水位标记。对于TCP和UDPsocket而言，其缺省值为2048

2. 该连接的写这一半关闭。对这样的socket的写操作将产生SIGPIPE信号，该信号的缺省行为是终止进程。

3.有一个socket异常错误条件待处理.对于这样的socket的写操作将不会阻塞并且返回一个错误(-1),errno则设置成明确的错误条件.这些待处理的错误也可以通过指定socket选项SO_ERROR调用getsockopt函数来取得并清除;

浅谈TCP/IP网络编程中socket的行为

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