socket关闭: close()和shutdown()的差异

转：http://drmingdrmer.github.io/tech/programming/network/2015/07/28/close-shutdown.html

对于一个tcp连接，在c语言里一般有2种方法可以将其关闭：

close(sock_fd);

或者

shutdown(sock_fd, ...);

多数情况下这2个方法的效果没有区别，可以互换使用。除了：

• close() 是针对file的操作
• shutdown() 是针对socket的操作

nix系统里socket是1个文件，但文件不1定是1个socket;

所以在进入系统调用后和达到协议层前(发出FIN包这一段),close()和shutdown()的行为会有1点差异。

到达协议层以后，close()和shutdown()没有区别。

举几个栗子示范下close()和shutdown()的差异

下面通过几个例子演示下close()和shutdown()在多线程并发时的行为差异,我们假设场景是:

• sock_fd 是一个blocking mode的socket。
• thread-1 正在对sock_fd进行阻塞的recv()，还没有返回。
• thread-2 直接对sock_fd调用close() 或 shutdown()。
• 不考虑linger。

栗子1: socket阻塞在recv()上, 调用close()

// Close a waiting recv()Time | |  thread-1                  | thread-2           | tcpdump |                            |                    | |  recv(sock_fd              |                    | |      <unfinished ...>      |                    |1|                            | close(sock_fd) = 0 | |                            |                    | // Some data arrived |                            |                    | // after close()2|                            |                    | < seq 1:36 ... length 35 |                            |                    | > ack 36 ... |  // Data was received.     |                    |3|  <... recv resumed>) = 35  |                    |4|                            |                    | > FIN sent |                            |                    | < ack of FIN received |                            |                    | ... |  // Can't be used any more |                    |5v  recv(sock_fd) = -1        |                    |

在上面的例子里：

• (1) thread-2 调用close()立即成功返回，这时recv()还在使用sock_fd。

  这里因为有另外1个线程thread-1正在使用sock_fd，所以只是标记这个sock_fd为要关闭的。socket并没有真正关闭。

  这时recv()还继续处于阻塞读取状态。

• (2) close()之后，有些数据到了，recv可以读取并返回了。

• (3) recv()收到数据, 正确退出。

• (4) rece()结束调用，释放socket的引用，这时底层开始关闭socket的流程。

• (5) 再次调用recv()就会得到错误。

可以看到，close()没有立即关闭socket的连接，也没有打断等待的recv()。

栗子2: socket阻塞在recv()上, 调用shutdown()

// Shutdown a waiting recv()Time | |  thread-1                  | thread-2              | tcpdump |                            |                       | |  recv(sock_fd              |                       | |      <unfinished ...>      |                       |1|                            | shutdown(sock_fd) = 0 | > FIN sent |                            |                       | < ack of FIN received |                            |                       | ... |  // Woken up by shutdown() |                       | |  // no errno set           |                       |2|  <... recv resumed>) = 0   |                       | v                            |                       |

在上面的例子里：

• (1) thread-1还在等待sock_fd, thread-2调用shutdown(),立即开始关闭socket的流程，发FIN 包等。

  然后, 内核中tcp_shutdown中会调用sock_def_wakeup唤醒阻塞在recv()上的thread-1。

• (2) 这时recv()阻塞的线程被唤醒等待并立即返回。返回码是0，表示socket已经关了。

可以看到，shutdown()和close()不同，会立即关闭socket的连接，并唤醒等待的recv()。

以上2个例子的代码

close-or-shutdown-recv

栗子3: socket阻塞在accept()上, 调用shutdown()

类似的，对阻塞在accept()上的socket调用shutdown()，accept也会被唤醒:

// Shutdown a waiting accept()Time | |  thread-1                      | thread-2 |                                | |  accept(sock_fd                | |      <unfinished ...>          |1|                                | shutdown(sock_fd) = 0 |                                | |  // Woken up by shutdown()     | |  // errno set to EINVA         |2|  <... accept resumed>) = -1    | |                                | v                                |

• (1) thread-1还在等待sock_fd, thread-2调用shutdown(),立即开始关闭socket的流程，发FIN 包等。

  然后, 内核中tcp_shutdown中会调用sock_def_wakeup唤醒阻塞在accept()上的thread-1。

• (2) 这时在accept()上阻塞的线程被唤醒, 并立即返回。

  返回码是-1，errno设置为EINVA。

• 这里如果thread-2调用的是close(),accept不会被唤醒，如果后面有请求connect进来，还能正确接受并返回。

结论

• shutdown() 立即关闭socket;

  并可以用来唤醒等待线程;

• close() 不一定立即关闭socket(如果有人引用, 要等到引用解除);

  不会唤醒等待线程。

现在大部分网络应用都使用nonblocking socket和事件模型如epoll的时候，因为nonblocking所以没有线程阻塞,上面提到的行为差别不会体现出来 。

当时注意到这个问题是在做1个go的server，因为在go的实现中，一个tcp的accept的底层实现里，对accept()的系统调用还是阻塞的。当另1个goroutine想要退出整个进程的时候，需要通知accept的goroutine先退出。最初我使用`func (*TCPListener) Close`来关闭监听的socket,但发现TCPListener:Close实际调用了系统调用close(),无法唤醒当前正在accept()的goroutine,必须等到有下一个连接进来才能唤醒accept()，进而退出整个进程。所以后来改成使用shutdown()来关闭sock_fd，以达到唤醒accept()的goroutine的目的。

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更新 2015 Aug 05 - go中不能唤醒的问题和重现方法

(开始写的时候没有记清楚重现步骤，感谢 foxmailed 提醒。)

上面的描述不准确，更新一下,实际上是2个问题在1起引起的TCPListener.Close无法唤醒Accept的goroutine:

• go里的socket本来应该都是nonblocking的。

  go内部accept的系统调用在没有连接时返回-1，然后进入事件的等待(epoll_wait等)。

  执行TCPListener.Accept的goroutine如果没有收到connect请求,就把自己挂起来, 等待网络事件到来.

• TCPListener.Close 本身是有的唤醒机制的。

  但和系统调用shutdown()的唤醒不一样，shutdown是线程调度层面的，TCPListener.Close是网络事件层和goroutine层面。

  TCPListener.Close实际上是把TCPListener.Accept的goroutine唤醒。所以正常的阻塞的TCPListener.Accept的goroutine在TCPListener.Close调用时会被唤醒.

  如果监听的TCPListener内部的fd时blocking模式的,它在调用系统调用accept()时, accept()不会返回-1, 而是阻塞住, 这时线程被挂起(不是goroutine挂起了).要唤醒就需要先把它从系统调用中唤醒(例如用shutdown,TCPListener.Close 没有这个步骤)。

  所以TCPListener.Close的唤醒机制前提是nonblocking。一旦进入blocking模式并调用了accept, TCPListener.Close就没能力把它唤醒了.

• 但go里面有1个问题，就是它的dup()实现时，每次dup之后还会顺手把fd设置为blocking模式:

  net/fd_unix.go里的实现, 看注释里地描述:

  func (fd *netFD) dup() (f *os.File, err error) {        ns, err := dupCloseOnExec(fd.sysfd)        if err != nil {                syscall.ForkLock.RUnlock()                return nil, &OpError{"dup", fd.net, fd.laddr, err}        }        // We want blocking mode for the new fd, hence the double negative.        // This also puts the old fd into blocking mode, meaning that        // I/O will block the thread instead of letting us use the epoll server.        // Everything will still work, just with more threads.        if err = syscall.SetNonblock(ns, false); err != nil {                return nil, &OpError{"setnonblock", fd.net, fd.laddr, err}        }        return os.NewFile(uintptr(ns), fd.name()), nil}

  简单说就是dup的副作用是把fd变成阻塞的，但go开发者不是很屌这件事情，觉得阻塞就阻塞，无非多用几个线程而已。

  可是TCPListener.Close的唤醒机制是必须基于nonblocking的。。。。。

• 所以只要dup()被调用了1下，TCPListener.Close就无法唤醒等待的TCPListener.Accept了。

  哪些场合dup会被调用呢？最简单地就是从Listener里取1下File对象就好了：

  l.(*net.TCPListener).File()

  go里File方法实现：

  net/tcpsock_posix.go:func (l *TCPListener) File() (f *os.File, err error) { return l.fd.dup() }

.File()在我们的代码里用在进程重启过程中的监听fd的继承.

为了解决这个问题, 我们在代码里每次调用.File()后，都加上了1句修正：

syscall.SetNonblock( int(f.Fd()), true )

下面这段代码可以重现go中Close不唤醒的问题：

close-does-not-wake-up-accept.go

package mainimport ("log""net""runtime""time")func main() {runtime.GOMAXPROCS(2)l, err := net.Listen("tcp", ":2000")if err != nil {log.Fatal(err)}show_bug := trueif show_bug {// TCPListener.File() calls dup() that switches the fd to blocking// model.(*net.TCPListener).File()}go func() {log.Println("listening... expect an 'closed **' error in 1 second")_, e := l.Accept()log.Println(e)}()time.Sleep(time.Second * 1)l.Close()time.Sleep(time.Second * 1)}

更新 2015 Aug 05 结束