Linux网络编程 - 优雅地断开TCP套接字连接

Linux网络编程 - 优雅地断开TCP套接字连接 一 基于TCP的半关闭

        TCP中的断开连接过程比建立连接过程更重要，因为连接过程中一般不会出现大的变数，但断开过程有可能发生预想不到的情况，因此应准确掌控。只有掌握了下面要讲解的半关闭（Half-close），才能明确断开过程。

1.1 单方面断开连接带来的问题

Linux的close()函数意味着完全断开连接。完全断开连接不仅指无法传送数据，而且也不能接收数据。因此，在某些情况下，通信一方调用close断开连接就显得不太优雅，如下图所示。

        上图1-1 描述的是2台主机正在进行通信。主机A发送完最后的数据后，调用close()函数断开了连接，之后主机A无法再接收主机B传输的数据。实际上，是完全无法调用与接收数据相关的函数。最终，由主机B传输的、主机A必须接收的数据也销毁了。

        为了解决这类问题，“只关闭一部分数据交换中使用的流”（half-close）的方法应运而生。断开一部分连接是指，可以传输数据但无法接收，或可以接收数据但无法传输。顾名思义就是只关闭流的一半。

1.2 套接字和流（Stream）

        两台主机通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，又称为“流形成状态”。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看作一种流。

        此处的流可以比作是水流。水朝着一个分享流动，同样，在套接字的流中，数据也只能向一个方向移动。因此，为了进行双向通信，需要如下图所示的两个流。

         一旦两台主机间建立了套接字连接，每个主机就会拥有单独的输入流和输出流。当然，其中一个主机的输入流与另一个主机的输出流相连，而输出流则与另一个主机的输入流相连。另外，我们讨论的“优雅地断开连接方式”是指只断开其中一个流，而非同时断开两个流。Linux的close函数将同时断开这两个流。

《说明》

1、输入缓冲，即接收缓冲；输出缓冲，即发送缓存。

2、I/O流1：主机A输出缓冲 ——> 主机B输入缓冲

3、I/O流2：主机B输出缓冲 ——> 主机A输入缓冲

4、我们说一条流，指的是某一方向上的数据传输逻辑通道。

1.3 针对优雅断开的 shutdown 函数

        在Linux中，使用 shutdown() 函数来关闭其中的一条流。

• shutdown() — 用于半关闭的函数。

#include 

int shutdown(int sock, int howto);



//返回值: 成功时返回0，失败时返回-1

        调用shutdown()函数时，第二个参数决定断开连接的方式，其可能值有如下所示：

• SHUT_RD：断开输入流。
• SHUT_WR：断开输出流。
• SHUT_RDWR：同时断开I/O流。

        若向shutdown函数的第二个形参传递实参 SHUT_RD，则断开当前套接字的输入流，即套接字无法接收数据。即使输入缓冲收到数据也要抹去，而且无法调用输入相关函数（read、recv）。如果向shutdown函数的第二个形参传递实参 SHUT_WR，则中断输出流，也就无法传输数据。但如果输出缓冲还留有未传输的数据，则将传递至目标主机。最后，若传入实参 SHUT_RDWR，则同时中断 I/O流。这相当于分两次调用shutdown函数，其中一次传入以 SHUT_RD为实参，另一次以 SHUT_WR为实参。

1.4 为何需要半关闭

        上文我们已对“关闭套接字的一半连接”有了充分的认识，但可能还有一些疑惑。

“究竟为什么需要半关闭？是否只要留出足够长的连接时间，保证完成数据交换即可？只要不急于断开连接，好像也没必要使用半关闭。”

        这句话也不完全是错的。如果保持足够的时间间隔，完成数据交换后再断开连接，这时就没必要使用半关闭。但要考虑如下情况：

“一旦客户端连接到服务器端，服务器端将约定的文件传给客户端，客户端收到后发送字符串 ‘Thank you’ 给服务器端。”

        此处字符串 “Thank you” 的传递实际上是多余的，这只是用来模拟客户端断开连接前还有数据需要传递的情况。此时程序实现并不小，因为传输文件的服务器端只需连续传输文件数据即可，而客户端无法知道需要接收数据到何时结束。客户端也没办法无休止地调用输入函数（read、recv），因为这有可能导致程序阻塞（调用的函数未返回）。

“是否可以让服务器端和客户端约定一个代表文件尾的字符？”

        这种方式也有问题，因为这意味着文件中不能有与约定字符相同的内容。为解决该问题，服务器端应最后向客户端传递 EOF 表示文件传输结束。客户端通过函数返回值接收 EOF，这样可以避免与文件内容冲突。剩下最后一个问题：服务器如何传递 EOF？

“断开输出流时向对方主机传输EOF。”

        当然，调用close()函数的同时关闭I/O流，这样也会向对方发送EOF。但此时无法再接收对方传输的数据。换言之，若调用close函数关闭流，就无法接收客户端最后发送的字符串消息“Thank you”。这时需要调用shutdown函数，只关闭服务器的输出流（半关闭）。这样即可以发送EOF，同时又保留了输入流，可以接收对方数据。下面结合前面的内容实现一个收发文件的服务器端/客户端示例程序。

1.5 基于半关闭的文件传输程序

        收发文件的服务器端/客户端的数据流可整理如下图所示。

• 服务器端程序 file_server.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    FILE * fp;
    char buf[BUF_SIZE];
    int read_cnt;
    
    struct sockaddr_in serv_addr, clnt_addr;
    socklen_t clnt_addr_sz;
    
    if(argc!=2) {
        printf("Usage:%s n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    
    fp=fopen("file_server.c", "rb");
    if(!fp)
        error_handling("fopen() error!");
    
    serv_sock=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);   
    
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family=AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    serv_addr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
    
    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
        error_handling("bind() error!");
    
    if(listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error!");
    
    clnt_addr_sz=sizeof(clnt_addr);    
    clnt_sock=accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_sz);
    
    while(1)    //使用while循环向客户端传输文件
    {
        read_cnt=fread((void*)buf, 1, BUF_SIZE, fp);
        if(read_cnt 
客户端程序 file_client.c
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sd;
    FILE *fp;
    
    char buf[BUF_SIZE];
    int read_cnt;
    struct sockaddr_in serv_adr;
    if(argc!=3) {
        printf("Usage: %s  n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    
    fp=fopen("receive.dat", "wb");
    if(!fp)
        error_handling("fopen() error!");
    
    sd=socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family=AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port=htons(atoi(argv[2]));

    if(connect(sd, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("connect() error!");
    
    while((read_cnt=read(sd, buf, BUF_SIZE )) !=0 )  //当收到EOF时退出循环
        fwrite((void*)buf, 1, read_cnt, fp);
    
    puts("Received file data");
    write(sd, "Thank you", 10);  //向服务器端发送表示感谢的消息，若服务器端未关闭输入流，则可接收到此消息

    fclose(fp);
    close(sd);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('n', stderr);
    exit(1);
}
 
 程序运行结果
 
 
服务器端
 
编译程序：gcc file_server.c -o fserver
 
 
运行程序：./fserver 9190
 
 
Message from client: Thank you
 
 
客户端
 
编译程序：gcc file_client.c -o fclient
 
 
运行程序：Received file data
 
 
二 习题 
1、解释TCP中“流”的概念。UDP中能否形成流？请说明原因 
答：TCP中的流：是指两台通信主机通过套接字建立TCP连接后进入可交换数据的状态，又称为“流形成的状态”。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看作一种流。而对于UDP来说，不存在流，因为UDP是无连接的。
 
2、Linux中的close函数或Windows中的closesocket函数属于单方面断开连接的方法，有可能带来一些问题。什么是单方面断开连接？什么情况下会出现问题？ 
答：通信一方调用close函数或closesocket函数断开连接时，就是单方面断开连接，这种断开连接方式意味着完全断开连接，不仅无法发送数据，而且也不能接收数据。一般在对方有剩余数据未发送时，己方断开连接，会造成问题。
 
3、什么是半关闭？针对输出流执行半关闭的主机处于何种状态？半关闭会导致对方主机接收什么信息？ 
答：TCP是全双工通信方式，通信双方都拥有独立的输入流和输出流，当关闭其中的一个流时，此时该套接字就处于半关闭状态或者说该TCP连接处于半关闭状态。当关闭输出流时，意味着主机无法发送数据了，但是可以继续接收对方发来的数据，此时主机处于 FIN-WAIT（结束等待）状态。
 
当本端调用shutdown函数，并向第二个参数传入 SHUT_WR，则会断开输出流，进入半关闭状态（关闭输出流，保留输入流），对方主机会收到己方主机发出的 FIN 报文段信息。
 
参考 
《TCP-IP网络编程(尹圣雨)》第7章 - 优雅地断开套接字连接
 
《TCP/IP网络编程》课后练习答案第一部分6~10章 尹圣雨
					
										


					

						
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