高性能网络编程4–TCP连接的关闭

简介:

作者:陶辉

TCP连接的关闭有两个方法close和shutdown,这篇文章将尽量精简的说明它们分别做了些什么。

为方便阅读,我们可以带着以下5个问题来阅读本文:

1、当socket被多进程或者多线程共享时,关闭连接时有何区别?

2、关连接时,若连接上有来自对端的还未处理的消息,会怎么处理?

3、关连接时,若连接上有本进程待发送却未来得及发送出的消息,又会怎么处理?

4、so_linger这个功能的用处在哪?

5、对于监听socket执行关闭,和对处于ESTABLISH这种通讯的socket执行关闭,有何区别?

 

下面分三部分进行:首先说说多线程多进程关闭连接的区别;再用一幅流程图谈谈close;最后用一幅流程图说说shutdown。

 

先不提其原理和实现,从多进程、多线程下 close和shutdown方法调用时的区别说起。

看看close与shutdown这两个系统调用对应的内核函数:(参见unistd.h文件)

[cpp] view plaincopy

 

1.       #define __NR_close                               3

2.       __SYSCALL(__NR_close, sys_close)

3.       #define __NR_shutdown                           48

4.       __SYSCALL(__NR_shutdown, sys_shutdown)

但sys_close和sys_shutdown这两个系统调用最终是由tcp_close和tcp_shutdown方法来实现的,调用过程如下图所示:

编1

sys_shutdown与多线程和多进程都没有任何关系,而sys_close则不然,上图中可以看到,层层封装调用中有一个方法叫fput,它有一个引用计数,记录这个socket被引用了多少次。在说明多线程或者多进程调用close的区别前,先在代码上简单看下close是怎么调用的,对内核代码没兴趣的同学可以仅看fput方法:

[cpp] view plaincopy

 

1.       void fastcall fput(struct file *file)

2.       {

3.           if (atomic_dec_and_test(&file->f_count))//检查引用计数,直到为0才会真正去关闭socket

4.               __fput(file);

5.       }

当这个socket的引用计数f_count不为0时,是不会触发到真正关闭TCP连接的tcp_close方法的。

那么,这个引用计数的意义何在呢?为了说明它,先要说道下进程与线程的区别。

 

大家知道,所谓线程其实就是“轻量级”的进程。创建进程只能是一个进程(父进程)创建另一个进程(子进程),子进程会复制父进程的资源,这里的”复制“针对不同的资源其意义是不同的,例如对内存、文件、TCP连接等。创建进程是由clone系统调用实现的,而创建线程时同样也是clone实现的,只不过clone的参数不同,其行为也很不同。这个话题是很大的,这里我们仅讨论下TCP连接。

在clone系统调用中,会调用方法copy_files来拷贝文件描述符(包括socket)。创建线程时,传入的flag参数中包含标志位CLONE_FILES,此时,线程将会共享父进程中的文件描述符。而创建进程时没有这个标志位,这时,会把进程打开的所有文件描述符的引用计数加1,即把file数据结构的f_count成员加1,如下:

[cpp] view plaincopy

 

1.       static int copy_files(unsigned long clone_flags, struct task_struct * tsk)

2.       {

3.           if (clone_flags & CLONE_FILES) {

4.               goto out;//创建线程

5.           }

6.           newf = dup_fd(oldf, &error);

7.       out:

8.           return error;

9.       }

再看看dup_fd方法:

[cpp] view plaincopy

 

1.       static struct files_struct *dup_fd(struct files_struct *oldf, int *errorp)

2.       {

3.           for (i = open_files; i != 0; i–) {

4.               struct file *f = *old_fds++;

5.               if (f) {

6.                   get_file(f);//创建进程

7.               }

8.           }

9.       }

get_file宏就会加引用计数。

[cpp] view plaincopy

 

1.       #define get_file(x) atomic_inc(&(x)->f_count)

所以,子进程会将父进程中已经建立的socket加上引用计数。当进程中close一个socket时,只会减少引用计数,仅当引用计数为0时才会触发tcp_close。

 

到这里,对于第一个问题的close调用自然有了结论:单线程(进程)中使用close与多线程中是一致的,但这两者与多进程的行为并不一致,多进程中共享的同一个socket必须都调用了close才会真正的关闭连接。

 

而shutdown则不然,这里是没有引用计数什么事的,只要调用了就会去试图按需关闭连接。所以,调用shutdown与多线程、多进程无关。

 

 

下面我们首先深入探讨下close的行为,因为close比较shutdown来说要复杂许多。顺便回答其余四个问题。

TCP连接是一种双工的连接,何谓双工?即连接双方可以并行的发送或者接收消息,而无须顾及对方此时到底在发还是收消息。这样,关闭连接时,就存在3种情形:完全关闭连接;关闭发送消息的功能;关闭接收消息的功能。其中,后两者就叫做半关闭,由shutdown实现(所以 shutdown多出一个参数正是控制关闭发送或者关闭接收),前者由close实现。

 

TCP连接是一种可靠的连接,在这里可以这么理解:既要确认本机发出的包得到确认,又要确认收到的任何消息都已告知连接的对端。

以下主要从双工、可靠性这两点上理解连接的关闭。

 

TCP双工的这个特性使得连接的正常关闭需要四次握手,其含义为:主动端关闭了发送的功能;被动端认可;被动端也关闭了发送的功能;主动端认可。

但还存在程序异常的情形,此时,则通过异常的那端发送RST复位报文通知另一端关闭连接。

下图是close的主要流程:

编2

这个图稍复杂,这是因为它覆盖了关闭监听句柄、关闭普通连接、关闭设置了SO_LINGER的连接这三种主要场景。

 

1)关闭监听句柄

先从最右边的分支说说关闭监听socket的那些事。用于listen的监听句柄也是使用close关闭,关闭这样的句柄含义当然很不同,它本身并不对应着某个TCP连接,但是,附着在它之上的却可能有半成品连接。什么意思呢?之前说过TCP是双工的,它的打开需要三次握手,三次握手也就是3个步骤,其含义为:客户端打开接收、发送的功能;服务器端认可并也打开接收、发送的功能;客户端认可。当第1、2步骤完成、第3步步骤未完成时,就会在服务器上有许多半连接,close这个操作主要是清理这些连接。

参照上图,close首先会移除keepalive定时器。keepalive功能常用于服务器上,防止僵死、异常退出的客户端占用服务器连接资源。移除此定时器后,若ESTABLISH状态的TCP连接在tcp_keepalive_time时间(如服务器上常配置为2小时)内没有通讯,服务器就会主动关闭连接。

接下来,关闭每一个半连接。如何关闭半连接?这时当然不能发FIN包,即正常的四次握手关闭连接,而是会发送RST复位标志去关闭请求。处理完所有半打开的连接close的任务就基本完成了。

 

2)关闭普通ESTABLISH状态的连接(未设置so_linger)

首先检查是否有接收到却未处理的消息。

如果close调用时存在收到远端的、没有处理的消息,这时根据close这一行为的意义,是要丢弃这些消息的。但丢弃消息后,意味着连接远端误以为发出的消息已经被本机收到处理了(因为ACK包确认过了),但实际上确是收到未处理,此时也不能使用正常的四次握手关闭,而是会向远端发送一个RST非正常复位关闭连接。这个做法的依据请参考draft-ietf-tcpimpl-prob-03.txt文档3.10节,Failure to RST on close with data pending。所以,这也要求我们程序员在关闭连接时,要确保已经接收、处理了连接上的消息。

 

如果此时没有未处理的消息,那么进入发送FIN来关闭连接的阶段。

这时,先看看是否有待发送的消息。前一篇已经说过,发消息时要计算滑动窗口、拥塞窗口、angle算法等,这些因素可能导致消息会延迟发送的。如果有待发送的消息,那么要尽力保证这些消息都发出去的。所以,会在最后一个报文中加入FIN标志,同时,关闭用于减少网络中小报文的angle算法,向连接对端发送消息。如果没有待发送的消息,则构造一个报文,仅含有FIN标志位,发送出去关闭连接。

 

3)使用了so_linger的连接

首先要澄清,为何要有so_linger这个功能?因为我们可能有强可靠性的需求,也就是说,必须确保发出的消息、FIN都被对方收到。例如,有些响应发出后调用close关闭连接,接下来就会关闭进程。如果close时发出的消息其实丢失在网络中了,那么,进程突然退出时连接上发出的RST就可能被对方收到,而且,之前丢失的消息不会有重发来保障可靠性了。

so_linger用来保证对方收到了close时发出的消息,即,至少需要对方通过发送ACK且到达本机。

怎么保证呢?等待!close会阻塞住进程,直到确认对方收到了消息再返回。然而,网络环境又得复杂的,如果对方总是不响应怎么办?所以还需要l_linger这个超时时间,控制close阻塞进程的最长时间。注意,务必慎用so_linger,它会在不经意间降低你程序中代码的执行速度(close的阻塞)。

 

所以,当这个进程设置了so_linger后,前半段依然没变化。检查是否有未读消息,若有则发RST关连接,不会触发等待。接下来检查是否有未发送的消息时与第2种情形一致,设好FIN后关闭angle算法发出。接下来,则会设置最大等待时间l_linger,然后开始将进程睡眠,直到确认对方收到后才会醒来,将控制权交还给用户进程。

 

这里需要注意,so_linger不是确保连接被四次握手关闭再使close返回,而只是保证我方发出的消息都已被对方收到。例如,若对方程序写的有问题,当它收到FIN进入CLOSE_WAIT状态,却一直不调用close发出FIN,此时,对方仍然会通过ACK确认,我方收到了ACK进入FIN_WAIT2状态,但没收到对方的FIN,我方的close调用却不会再阻塞,close直接返回,控制权交还用户进程。

 

从上图可知,so_linger还有个偏门的用法,若l_linger超时时间竟被设为0,则不会触发FIN包的发送,而是直接RST复位关闭连接。我个人认为,这种玩法确没多大用处。

 

 

最后做个总结。调用close时,可能导致发送RST复位关闭连接,例如有未读消息、打开so_linger但l_linger却为0、关闭监听句柄时半打开的连接。更多时会导致发FIN来四次握手关闭连接,但打开so_linger可能导致close阻塞住等待着对方的ACK表明收到了消息。

 

最后来看看较为简单的shutdown。

编3

解释下上图:

1)shutdown可携带一个参数,取值有3个,分别意味着:只关闭读、只关闭写、同时关闭读写。

对于监听句柄,如果参数为关闭写,显然没有任何意义。但关闭读从某方面来说是有意义的,例如不再接受新的连接。看看最右边蓝色分支,针对监听句柄,若参数为关闭写,则不做任何事;若为关闭读,则把端口上的半打开连接使用RST关闭,与close如出一辙。

2)若shutdown的是半打开的连接,则发出RST来关闭连接。

3)若shutdown的是正常连接,那么关闭读其实与对端是没有关系的。只要本机把接收掉的消息丢掉,其实就等价于关闭读了,并不一定非要对端关闭写的。实际上,shutdown正是这么干的。若参数中的标志位含有关闭读,只是标识下,当我们调用read等方法时这个标识就起作用了,会使进程读不到任何数据。

4)若参数中有标志位为关闭写,那么下面做的事与close是一致的:发出FIN包,告诉对方,本机不会再发消息了。

 

 

以上,就是close与shutdown的主要行为,同时也回答了本文最初的5个问题。下一篇,我们开始讨论多路复用中常见的epoll。

相关实践学习
容器服务Serverless版ACK Serverless 快速入门:在线魔方应用部署和监控
通过本实验,您将了解到容器服务Serverless版ACK Serverless 的基本产品能力,即可以实现快速部署一个在线魔方应用,并借助阿里云容器服务成熟的产品生态,实现在线应用的企业级监控,提升应用稳定性。
云原生实践公开课
课程大纲 开篇:如何学习并实践云原生技术 基础篇: 5 步上手 Kubernetes 进阶篇:生产环境下的 K8s 实践 相关的阿里云产品:容器服务 ACK 容器服务 Kubernetes 版(简称 ACK)提供高性能可伸缩的容器应用管理能力,支持企业级容器化应用的全生命周期管理。整合阿里云虚拟化、存储、网络和安全能力,打造云端最佳容器化应用运行环境。 了解产品详情: https://www.aliyun.com/product/kubernetes
相关文章
|
13天前
|
网络协议 开发者 Python
Python网络编程与Socket通信:连接世界的无限可能
在当今数字化时代,Python作为一种强大的编程语言,通过网络编程与Socket通信为我们打开了连接世界的无限可能。本文将深入探讨Python网络编程的基础知识、Socket通信的原理以及实际应用,帮助读者更好地理解并运用这一技术。
|
13天前
|
缓存 负载均衡 应用服务中间件
高性能网络编程技术 Nginx 的概念与实践
Nginx 是一款高性能、轻量级的Web服务器和反向代理服务器,它在网络编程技术领域中被广泛应用。本文将详细介绍Nginx的概念和实践,包括其核心原理、功能特点、优势和应用场景等方面。同时,还将深入探讨如何使用Nginx进行高性能网络编程,结合实际案例进行分析。
|
13天前
|
网络协议 网络性能优化 Python
在Python中进行TCP/IP网络编程
在Python中进行TCP/IP网络编程
40 6
|
2天前
|
弹性计算 缓存 安全
【阿里云弹性计算】阿里云ECS与CDN结合:构建高性能全球内容分发网络
【5月更文挑战第26天】阿里云ECS与CDN结合打造高性能全球内容分发网络,通过ECS的弹性伸缩和安全可靠性,配合CDN的全球覆盖、高可用性及安全防护,提升访问速度,减轻服务器压力,优化数据传输。以WordPress为例,通过配置CDN域名和ECS,实现高效内容分发,提高系统扩展性和稳定性。此解决方案满足用户对访问速度和稳定性的高要求,为企业提供优质的云计算体验。
25 0
|
13天前
|
负载均衡 网络协议 应用服务中间件
【亮剑】在Linux中构建高可用性和高性能网络服务的负载均衡工具HAProxy、Nginx和Keepalived。
【4月更文挑战第30天】本文介绍了在Linux中构建高可用性和高性能网络服务的负载均衡工具HAProxy、Nginx和Keepalived。HAProxy是一个高性能的开源TCP和HTTP负载均衡器,适合处理大量并发连接;Nginx是一个多功能Web服务器和反向代理,支持HTTP、HTTPS和TCP负载均衡,同时提供缓存和SSL功能;Keepalived用于监控和故障切换,通过VRRP实现IP热备份,保证服务连续性。文中详细阐述了如何配置这三个工具实现负载均衡,包括安装、配置文件修改和启动服务,为构建可靠的负载均衡系统提供了指导。
|
13天前
|
Rust 前端开发 安全
【专栏】WebAssembly将支持更多语言,结合低代码平台
【4月更文挑战第27天】WebAssembly是种虚拟机格式,用于在浏览器中运行编译后的C/C++、Rust等语言代码,提供高性能、高可移植性和安全性。其优势在于更快的执行速度、跨平台兼容及安全的沙箱环境。广泛应用在游戏开发、图形处理、计算机视觉等领域。未来,WebAssembly将支持更多语言,结合低代码平台,优化开发流程,同时应对优化编译和安全性的挑战,引领高性能网络应用新时代。