listen函数

来源：互联网发布：三国群英传7Mac 编辑：程序博客网时间：2024/06/17 15:16

网络编程–listen函数

1.分析

问题：
我们知道在网络编程中，listen接口是用来建立socket监听的，其参数只有两个。它的第二个参数是什么？三次握手中的半连接、完全连接在listen监听中充当着什么角色？
函数原型:int listen(int sockfd, int backlog);
1. 当socket函数创建一个套接字时，它被假设为一个主动套接字，也就是说，它是一个将调用connect发起连接的客户套接字。listen函数把一个未连接的套接字转换成一个被动套接字，指示内核应接受指向该套接字的连接请求。根据TCP状态转换图，调用listen导致套接字从CLOSED状态转换成LISTEN状态。
参数
1. sockfd：成功创建的TCP套接字
2. backlog：定义内核监听队列的最大长度。APUE中指出，backlog只是一个提示，具体的数值实际上由系统决定。在内核版本2.2之前的Linux中，backlog参数是指所有处于半连接状态(SYN_RCVD)和完全连接状态(ESTABLISHED)的socket的上限。但自内核版本2.2之后，它只表示处于完全连接状态的socket的上限，处于半连接状态的socket的上限则由/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog内核参数定义。backlog参数的典型值是5(4.2BSD支持的最大值)。
监听队列
- 内核为任何一个给定的监听套接字维护两个队列(详见:TCP三次握手)：
1. 未完成连接队列，每个这样的SYN分节对应其中一项：已由某个客户发出并到达服务器，而服务器正在等待完成相应的TCP三次握手过程。这些套接字处于SYN_RCVD状态。
2. 已完成连接队列，每个已完成TCP三次握手过程的客户对应其中一项。这些套接字处于ESTABLISHED状态。
3. 解释

explain

2.示例

自己手动测试过，与原文有些出入
服务端代码如下：

    #include<sys/socket.h>    #include<netinet/in.h>    #include<arpa/inet.h>    #include<signal.h>    #include<unistd.h>    #include<stdlib.h>    #include<assert.h>    #include<stdio.h>    #include<string.h>    static bool stop = false;    /*SIGTERM 信号的处理函数，触发时结束主进程中的循环*/    static void handle_term(int sig)    {        stop = true;    }    int main(int argc, char* argv[])    {        signal(SIGTERM, handle_term);        if(argc <= 3)        {            printf("usage: %s ip_address port_number backlog\n", basename(argv[0]));            return 1;        }        const char* ip = argv[1];        int port = atoi(argv[2]);        int backlog = atoi(argv[3]);        int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);        assert(sock >= 0);        struct sockaddr_in address;        bzero(&address, sizeof(address));        address.sin_family = AF_INET;        inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);        address.sin_port = htons(port);        int ret = bind(sock, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));        assert(ret != -1);        ret = listen(sock, backlog);        assert( ret != -1);        /*循环等待连接，直到有SIGTERM信号将它中断*/        while(!stop)        {            sleep(1);        }        /*关闭socket*/        close(sock);        return 0;    }

客户端端代码如下：

  #include <sys/socket.h>  #include <netinet/in.h>  #include <arpa/inet.h>  #include <signal.h>  #include <unistd.h>  #include <stdlib.h>  #include <assert.h>  #include <stdio.h>  #include <string.h>  static bool stop = false;  /*SIGTERM 信号的处理函数，触发时结束主进程中的循环*/  static void handle_term(int sig)  {      stop = true;  }  int main(int argc, char* argv[])  {      signal(SIGTERM, handle_term);      if(argc <= 3)      {          printf("usage: %s ip_address port_number count\n", basename(argv[0]));          return 1;      }      const char* ip = argv[1];      int port = atoi(argv[2]);      int count= atoi(argv[3]);      struct sockaddr_in server_address;      bzero(&server_address, sizeof(server_address));      server_address.sin_family = AF_INET;      inet_pton(AF_INET, ip, &server_address.sin_addr);      server_address.sin_port = htons(port);      int sockfd[count];      for(int i = 0; i < count; i++)      {          sockfd[i] = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);          assert(sockfd[i] >= 0);          if(connect(sockfd[i],(struct sockaddr*)&server_address,sizeof(server_address)) < 0)          {              printf("connection failed\n");          }      }      /*循环等待连接，直到有SIGTERM信号将它中断*/      while(!stop)      {          sleep(1);      }      for(int j = 0; j < count; j++)      {          close(sockfd[j]);      }      return 0;  }

1.服务端程序(名为listen)接收3个参数：IP地址、端口号和backlog值。我们在Centos服务器上(2.6.32内核)运行：

$./listen 127.0.0.1 6666 5

2.客户端程序(名为connect)接收3个参数：IP地址、端口和count连接数。我们在Linux另外一个终端上运行（建立9个连接）：

$./connect localhost 6666 9

3.通过netstat命令查看listen监听队列内容

$netstat -nt|grep 6666

tcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57636    SYN_RECVtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57634    SYN_RECVtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57632    SYN_RECVtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57620    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57630    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57626    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57628    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57622    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57624    ESTABLISHED

其中处于LISTEN状态的为建立监听的服务端程序，在监听队里中，处于ESTABLISHED状态的连接有6个（backlog+1），其他的连接都处于SYN_RCVD状态。我们改变服务端与客户端程序的第3个参数并重新运行之，能发现同样的规律，即完成连接最多有(backlog+1)个。在不同的系统上，运行结果会有些差别，不过监听队列中已完成连接的上限通常比backlog值略大。

4.半连接状态socket上限

我们先来了解下syncookies功能，它控制着系统内核ipv4参数修改是否生效。如果syncookies是启动的，那么ipv4内核参数修改无效。

syncookies是在内核编译的时候设置的，我们通过cat查看是否启动：$ cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies

通过echo可禁用syncookies：$echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies

接下来，我们通过cat查看内核半连接状态的socket上限是多少：$cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog

通过echo修改该内核半连接socket上限为2$echo 2 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog

此时我们运行服务端程序$./listen 127.0.0.1 6666 5

打开另外一个终端运行客户端程序$./connect localhost 6666 10

通过netstat命令查看listen监听队列内容$netstat -nt|grep 6666

tcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57738    SYN_RECVtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57740    SYN_RECVtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57742    SYN_RECVtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57734    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57732    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57728    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57726    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57736    ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:57730    ESTABLISHED

此时处于半连接(SYN_RECV)的套接字共有3个(tcp_max_syn_backlog + 1)，处于已完成连接(ESTABLISHED)的套接字共6(一个处于SYN_SENT)个(backlog + 1)。

5.完全连接状态socket上限

通过cat查看内核连接状态的socket上限:$cat /proc/sys/net/core/somaxconn

通过echo修改该内核完全连接socket上限为2:$echo 2 > /proc/sys/net/core/somaxconn

运行服务器程序:$./listen 127.0.0.1 6666 5

打开另外一个终端运行客户端程序:$./connect localhost 6666 10 #建立10个连接

通过netstat命令查看listen监听队列内容:$netstat -nt|grep 6666

tcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:38618     SYN_RECVtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:38614     SYN_RECVtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:38616     SYN_RECVtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:38610     ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:38608     ESTABLISHEDtcp        0      0 127.0.0.1:6666              127.0.0.1:38612     ESTABLISHED

这个是我第二次修改的时候测的(不冲突)。
我们不难发现处于半连接状态的连接共3个(tcp_max_syn_backlog + 1)，处于已完成状态的连接也共3个(tcp_max_syn_backlog + 1 )，此时有些迷惑,backlog与系统内核参数somaxconn到底有什么关系？完全连接状态socket上限究竟由谁控制？

3.listen源码

1.listen的源码入口位于socket.c，具体代码如下：

listen

2.AF_INEF协议族(af_inet.c)的listen实现函数为inet_listen，代码如下：

listen

3.接下来进入inet_csk_listen_start，代码如下：

listen

通过源码剖析，我们可看出在listen第二个参数backlog不超过系统限制的最大值somaxconn时，内核直接使用其作为已完成连接队列的最大长度。如果超过了，那么系统将采用somaxconn作为已完成连接队列的最大长度。

4.总结

listen建立监听后，会创建两个队列：3次握手完成连接队列(ENSTABLISHED)，3次握手半连接队列(SYN_RCVD)。
当syn队列满的情况(tcp_abort_on_overflow)
1. 对于SYN半连接队列的大小是由（/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog）这个内核参数控制的，有些内核似乎也受 listen 的backlog参数影响，取得是两个值的最小值。当这个队列满了，不开启syncookies的时候，Server 会丢弃新来的SYN包，而Client端在多次重发SYN包得不到响应而返回（connection time out）错误。但是，当 Server 端开启了syncookies=1，那么SYN半连接队列就没有逻辑上的最大值了，并且/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog设置的值也会被忽略。
2. Client端在多次重发SYN包得不到响应而返回connection time out错误
3. netstat -s | grep LISTEN
  144 SYNs to LISTEN sockets ignored
当accept队列满的情况
1. 当accept队列满了之后，即使client继续向server发送ACK的包，也会不被响应，此时ListenOverflows+1，同时server通过/proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow来决定如何返回，0表示直接丢弃该ACK，1表示发送RST通知client；相应的，client则会分别返回read timeout 或者 connection reset by peer。
2. [root@Paul opt]# netstat -s | grep listen
  144 times the listen queue of a socket overflowed
3. accept队列满了，对 syn队列也有影响，在代码 net/ipv4/tcp_ipv4.c ：
```
int tcp_v4_conn_request(struct sock *sk, struct sk_buff *skb){/*tcp_syncookies为2 进行syn cookie  tcp_syncookies为1 且request队列满了 进行syn cookie处理  tcp_syncookies为0 且request队列满了 将该syn报文drop掉*/if ((sysctl_tcp_syncookies == 2 ||     inet_csk_reqsk_queue_is_full(sk)) && !isn) {    want_cookie = tcp_syn_flood_action(sk, skb, "TCP");    if (!want_cookie)        goto drop;}/* Accept backlog is full. If we have already queued enough * of warm entries in syn queue, drop request.  */if (sk_acceptq_is_full(sk) && inet_csk_reqsk_queue_young(sk) > 1) {    NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_LISTENOVERFLOWS);    goto drop;}
```
4. accept 队列大多数情况下会比较小，所以会出现SYN 队列没有满，而 ACCEPT 队列满了的情况，此时会按照tcp_aborton_overflow来决定直接丢弃，还是返回拒绝RST。而如果启用了syncookies，那么syncookies会开启，限制SYN包进入的速度。
  1. 当系统丢弃最后的 ACK，而系统中还有一个 net.ipv4.tcp_synack_retries 设置时，Linux 会重新发送 SYN ACK包。而客户端收到多个SYN ACK包，则会认为之前的 ACK丢包了。于是促使客户端再次发送 ACK ，在 accept 队列有空闲的时候最终完成连接。若 accept 队列始终满员，则最终客户端收到 RST 包。
半连接队列的上限由/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog控制。
在listen第二个参数backlog小于/proc/sys/net/core/somaxconn时，完成连接队列的最大值由backlog控制，否则由/proc/sys/net/core/somaxconn控制。
我们可以通过修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies参数决定对内核参数修改是否生效。
- 一个看似简单的listen接口，想要真正掌握也不简单。需要我们编写代码进行试验、分析TCP连接状态图、调优内核参数、剖析Linux内核源码…

4.参考

原文链接：http://www.charmingzhou.com/listen.html

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