從Linux源碼看Socket的Close

作者： alchemystarlzy 2021-07-15 14:27:47

筆者一直覺(jué)得如果能知道從應(yīng)用到框架再到操作系統(tǒng)的每一處代碼，是一件Exciting的事情。上篇博客講了socket的阻塞和非阻塞，這篇就開(kāi)始談一談socket的close(以tcp為例且基于linux-2.6.24內(nèi)核版本)

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TCP關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖:

眾所周知，TCP的close過(guò)程是四次揮手，狀態(tài)機(jī)的變遷也逃不出TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如下圖所示:

tcp的關(guān)閉主要分主動(dòng)關(guān)閉、被動(dòng)關(guān)閉以及同時(shí)關(guān)閉(特殊情況,不做描述)

主動(dòng)關(guān)閉

close(fd)的過(guò)程

以C語(yǔ)言為例，在我們關(guān)閉socket的時(shí)候，會(huì)使用close(fd)函數(shù):

int    socket_fd; 
socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
... 
// 此處通過(guò)文件描述符關(guān)閉對(duì)應(yīng)的socket 
close(socket_fd)

而close(int fd)又是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用sys_close來(lái)執(zhí)行的:

asmlinkage long sys_close(unsigned int fd) 
{ 
    // 清除(close_on_exec即退出進(jìn)程時(shí)）的位圖標(biāo)記 
    FD_CLR(fd, fdt->close_on_exec); 
    // 釋放文件描述符 
    // 將fdt->open_fds即打開(kāi)的fd位圖中對(duì)應(yīng)的位清除 
    // 再將fd掛入下一個(gè)可使用的fd以便復(fù)用 
    __put_unused_fd(files, fd); 
    // 調(diào)用file_pointer的close方法真正清除 
    retval = filp_close(filp, files); 
}

我們看到最終是調(diào)用的filp_close方法:

int filp_close(struct file *filp, fl_owner_t id) 
{ 
    // 如果存在flush方法則flush 
    if (filp->f_op && filp->f_op->flush) 
        filp->f_op->flush(filp, id); 
    // 調(diào)用fput 
    fput(filp); 
    ...... 
}

緊接著我們進(jìn)入fput:

void fastcall fput(struct file *file) 
{ 
    // 對(duì)應(yīng)file->count--,同時(shí)檢查是否還有關(guān)于此file的引用 
    // 如果沒(méi)有，則調(diào)用_fput進(jìn)行釋放 
    if (atomic_dec_and_test(&file->f_count)) 
        __fput(file); 
}

同一個(gè)file(socket)有多個(gè)引用的情況很常見(jiàn)，例如下面的例子:

所以在多進(jìn)程的socket服務(wù)器編寫(xiě)過(guò)程中，父進(jìn)程也需要close(fd)一次，以免socket無(wú)法最終關(guān)閉

然后就是_fput函數(shù)了:

void fastcall __fput(struct file *file) 
{ 
    // 從eventpoll中釋放file 
    eventpoll_release(file); 
    // 如果是release方法，則調(diào)用release 
    if (file->f_op && file->f_op->release) 
        file->f_op->release(inode, file); 
}

由于我們討論的是socket的close,所以，我們現(xiàn)在探查下file->f_op->release在socket情況下的實(shí)現(xiàn):

f_op->release的賦值

我們跟蹤創(chuàng)建socket的代碼，即

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    |-sock_create  // 創(chuàng)建sock 
    |-sock_map_fd  // 將sock和fd關(guān)聯(lián) 
            |-sock_attach_fd 
                    |-init_file(file,...,&socket_file_ops); 
                            |-file->f_op = fop; //fop賦值為socket_file_ops

socket_file_ops的實(shí)現(xiàn)為:

static const struct file_operations socket_file_ops = { 
    .owner =    THIS_MODULE, 
    ...... 
    // 我們?cè)谶@里只考慮sock_close 
    .release =    sock_close, 
    ...... 
};

繼續(xù)跟蹤:

sock_close 
    |-sock_release 
        |-sock->ops->release(sock);

在上一篇博客中，我們知道sock->ops為下圖所示:

即(在這里我們僅考慮tcp,即sk_prot=tcp_prot):

inet_stream_ops->release 
    |-inet_release 
            |-sk->sk_prot->close(sk, timeout); 
                |-tcp_prot->close(sk, timeout); 
                    |->tcp_prot.tcp_close

關(guān)于fd與socket的關(guān)系如下圖所示:

上圖中紅色線標(biāo)注的是close(fd)的調(diào)用鏈

tcp_close

void tcp_close(struct sock *sk, long timeout) 
{ 
    if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) { 
        // 如果是listen狀態(tài)，則直接設(shè)為close狀態(tài) 
        tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE); 
    } 
    // 清空掉recv.buffer 
    ...... 
    // SOCK_LINGER選項(xiàng)的處理 
    ...... 
    else if (tcp_close_state(sk)){ 
        // tcp_close_state會(huì)將sk從established狀態(tài)變?yōu)閒in_wait1 
        // 發(fā)送fin包 
        tcp_send_fin(sk); 
    } 
    ...... 
}

四次揮手

現(xiàn)在就是我們的四次揮手環(huán)節(jié)了，其中上半段的兩次揮手下圖所示:

首先，在tcp_close_state(sk)中已經(jīng)將狀態(tài)設(shè)置為fin_wait1,并調(diào)用tcp_send_fin

void tcp_send_fin(struct sock *sk) 
{ 
    ...... 
    // 這邊設(shè)置flags為ack和fin 
    TCP_SKB_CB(skb)->flags = (TCPCB_FLAG_ACK | TCPCB_FLAG_FIN); 
    ...... 
    // 發(fā)送fin包，同時(shí)關(guān)閉nagle 
    __tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, TCP_NAGLE_OFF); 
}

如上圖Step1所示。

接著，主動(dòng)關(guān)閉的這一端等待對(duì)端的ACK，如果ACK回來(lái)了，就設(shè)置TCP狀態(tài)為FIN_WAIT2,如上圖Step2所示,具體代碼如下:

tcp_v4_do_rcv 
    |-tcp_rcv_state_process 
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct tcphdr *th, unsigned len) 
{ 
    ...... 
    /* step 5: check the ACK field */ 
    if (th->ack) { 
        ... 
        case TCP_FIN_WAIT1: 
            // 這處判斷是確認(rèn)此ack是發(fā)送Fin包對(duì)應(yīng)的那個(gè)ack 
            if (tp->snd_una == tp->write_seq) { 
                // 設(shè)置為FIN_WAIT2狀態(tài) 
                tcp_set_state(sk, TCP_FIN_WAIT2); 
                ...... 
                // 設(shè)定TCP_FIN_WAIT2定時(shí)器，將在tmo時(shí)間到期后將狀態(tài)變遷為TIME_WAIT 
                // 不過(guò)是這時(shí)候改的已經(jīng)是inet_timewait_sock了 
                tcp_time_wait(sk, TCP_FIN_WAIT2, tmo); 
                ...... 
            } 
    } 
    /* step 7: process the segment text */ 
    switch(sk->sk_state) { 
    case TCP_FIN_WAIT1: 
    case TCP_FIN_WAIT2: 
        ...... 
    case TCP_ESTABLISHED: 
        tcp_data_queue(sk, skb); 
        queued = 1; 
        break; 
    } 
    ..... 
}

值的注意的是，從TCP_FIN_WAIT1變遷到TCP_FIN_WAIT2之后，還調(diào)用tcp_time_wait設(shè)置一個(gè)TCP_FIN_WAIT2定時(shí)器，在tmo+(2MSL或者基于RTO計(jì)算超時(shí))超時(shí)后會(huì)直接變遷到closed狀態(tài)(不過(guò)此時(shí)已經(jīng)是inet_timewait_sock了)。這個(gè)超時(shí)時(shí)間可以配置,如果是ipv4的話,則可以按照下列配置:

net.ipv4.tcp_fin_timeout 
/sbin/sysctl -w net.ipv4.tcp_fin_timeout=30

如下圖所示:

有這樣一步的原因是防止對(duì)端由于種種原因始終沒(méi)有發(fā)送fin,防止一直處于FIN_WAIT2狀態(tài)。

接著在FIN_WAIT2狀態(tài)等待對(duì)端的FIN，完成后面兩次揮手:

由Step1和Step2將狀態(tài)置為了FIN_WAIT_2，然后接收到對(duì)端發(fā)送的FIN之后,將會(huì)將狀態(tài)設(shè)置為time_wait,如下代碼所示:

tcp_v4_do_rcv 
    |-tcp_rcv_state_process 
        |-tcp_data_queue 
                |-tcp_fin 
static void tcp_fin(struct sk_buff *skb, struct sock *sk, struct tcphdr *th) 
{ 
    switch (sk->sk_state) { 
        ...... 
        case TCP_FIN_WAIT1: 
            // 這邊是處理同時(shí)關(guān)閉的情況 
            tcp_send_ack(sk); 
            tcp_set_state(sk, TCP_CLOSING); 
            break; 
        case TCP_FIN_WAIT2: 
            /* Received a FIN -- send ACK and enter TIME_WAIT. */ 
            // 收到FIN之后，發(fā)送ACK同時(shí)將狀態(tài)進(jìn)入TIME_WAIT 
            tcp_send_ack(sk); 
            tcp_time_wait(sk, TCP_TIME_WAIT, 0); 
    } 
}

time_wait狀態(tài)時(shí)，原socket會(huì)被destroy,然后新創(chuàng)建一個(gè)inet_timewait_sock,這樣就能及時(shí)的將原socket使用的資源回收。而inet_timewait_sock被掛入一個(gè)bucket中，由

inet_twdr_twcal_tick定時(shí)從bucket中將超過(guò)(2MSL或者基于RTO計(jì)算的時(shí)間)的time_wait的實(shí)例刪除。

我們來(lái)看下tcp_time_wait函數(shù)

void tcp_time_wait(struct sock *sk, int state, int timeo) 
{ 
    // 建立inet_timewait_sock 
    tw = inet_twsk_alloc(sk, state); 
    // 放到bucket的具體位置等待定時(shí)器刪除 
    inet_twsk_schedule(tw, &tcp_death_row, time,TCP_TIMEWAIT_LEN); 
    // 設(shè)置sk狀態(tài)為TCP_CLOSE,然后回收sk資源 
    tcp_done(sk); 
}

具體的定時(shí)器操作函數(shù)為inet_twdr_twcal_tick,這邊就不做描述了

被動(dòng)關(guān)閉

close_wait

在tcp的socket時(shí)候，如果是established狀態(tài)，接收到了對(duì)端的FIN,則是被動(dòng)關(guān)閉狀態(tài),會(huì)進(jìn)入close_wait狀態(tài),如下圖Step1所示:

具體代碼如下所示:

tcp_rcv_state_process 
    |-tcp_data_queue 
static void tcp_data_queue(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) 
{ 
    ... 
    if (th->fin) 
        tcp_fin(skb, sk, th); 
    ... 
}

我們?cè)倏聪聇cp_fin

static void tcp_fin(struct sk_buff *skb, struct sock *sk, struct tcphdr *th) 
{ 
    ...... 
    // 這一句表明當(dāng)前socket有ack需要發(fā)送 
    inet_csk_schedule_ack(sk); 
    ...... 
    switch (sk->sk_state) { 
            case TCP_SYN_RECV: 
            case TCP_ESTABLISHED: 
                /* Move to CLOSE_WAIT */ 
                // 狀態(tài)設(shè)置程close_wait狀態(tài) 
                tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE_WAIT); 
                // 這一句表明，當(dāng)前fin可以延遲發(fā)送 
                // 即和后面的數(shù)據(jù)一起發(fā)送或者定時(shí)器到時(shí)后發(fā)送 
                inet_csk(sk)->icsk_ack.pingpong = 1; 
                break; 
    } 
    ...... 
}

這邊有意思的點(diǎn)是，收到對(duì)端的fin之后并不會(huì)立即發(fā)送ack告知對(duì)端收到了，而是等有數(shù)據(jù)攜帶一塊發(fā)送,或者等攜帶重傳定時(shí)器到期后發(fā)送ack。

如果對(duì)端關(guān)閉了，應(yīng)用端在read的時(shí)候得到的返回值是0,此時(shí)就應(yīng)該手動(dòng)調(diào)用close去關(guān)閉連接

if(recv(sockfd, buf, MAXLINE,0) == 0){ 
    close(sockfd) 
}

我們看下recv是怎么處理fin包，從而返回0的,上一篇博客可知，recv最后調(diào)用tcp_rcvmsg,由于比較復(fù)雜，我們分兩段來(lái)看:

tcp_recvmsg第一段

...... 
  // 從接收隊(duì)列里面獲取一個(gè)sk_buffer 
  skb = skb_peek(&sk->sk_receive_queue); 
  do { 
      // 如果已經(jīng)沒(méi)有數(shù)據(jù)，直接跳出讀取循環(huán)，返回0 
      if (!skb) 
          break; 
      ...... 
      // *seq表示已經(jīng)讀到多少seq 
      // TCP_SKB_CB(skb)->seq表示當(dāng)前sk_buffer的起始seq 
      // offset即是在當(dāng)前sk_buffer中已經(jīng)讀取的長(zhǎng)度 
      offset = *seq - TCP_SKB_CB(skb)->seq; 
      // syn處理 
      if (tcp_hdr(skb)->syn) 
          offset--; 
      // 此處判斷表示，當(dāng)前skb還有數(shù)據(jù)可讀，跳轉(zhuǎn)found_ok_skb 
      if (offset < skb->len) 
          goto found_ok_skb; 
      // 處理fin包的情況 
      // offset == skb->len,跳轉(zhuǎn)到found_fin_ok然后跳出外面的大循環(huán) 
      // 并返回0 
      if (tcp_hdr(skb)->fin) 
          goto found_fin_ok; 
      BUG_TRAP(flags & MSG_PEEK); 
      skb = skb->next; 
  } while (skb != (struct sk_buff *)&sk->sk_receive_queue); 
  ......

上面代碼的處理過(guò)程如下圖所示:

我們看下tcp_recmsg的第二段:

found_ok_skb: 
        // tcp已讀seq更新 
        *seq += used; 
        // 這次讀取的數(shù)量更新 
        copied += used; 
        // 如果還沒(méi)有讀到當(dāng)前sk_buffer的盡頭，則不檢測(cè)fin標(biāo)識(shí) 
        if (used + offset < skb->len) 
            continue; 
        // 如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前skb有fin標(biāo)識(shí)，去found_fin_ok 
        if (tcp_hdr(skb)->fin) 
            goto found_fin_ok; 
        ...... 
found_fin_ok: 
        /* Process the FIN. */ 
        // tcp已讀seq++ 
        ++*seq; 
        ... 
        break; 
} while(len > 0);

由上面代碼可知，一旦當(dāng)前skb讀完了而且攜帶有fin標(biāo)識(shí)，則不管有沒(méi)有讀到用戶期望的字節(jié)數(shù)量都會(huì)返回已讀到的字節(jié)數(shù)。下一次再讀取的時(shí)候則在剛才描述的tcp_rcvmsg上半段直接不讀取任何數(shù)據(jù)再跳轉(zhuǎn)到found_fin_ok并返回0。這樣應(yīng)用就能感知到對(duì)端已經(jīng)關(guān)閉了。

如下圖所示:

last_ack

應(yīng)用層在發(fā)現(xiàn)對(duì)端關(guān)閉之后已經(jīng)是close_wait狀態(tài)，這時(shí)候再調(diào)用close的話，會(huì)將狀態(tài)改為last_ack狀態(tài)，并發(fā)送本端的fin,如下代碼所示:

void tcp_close(struct sock *sk, long timeout) 
{ 
    ...... 
    else if (tcp_close_state(sk)){ 
        // tcp_close_state會(huì)將sk從close_wait狀態(tài)變?yōu)閘ast_ack 
        // 發(fā)送fin包 
        tcp_send_fin(sk); 
    } 
}

在接收到主動(dòng)關(guān)閉端的last_ack之后，則調(diào)用tcp_done(sk)設(shè)置sk為tcp_closed狀態(tài)，并回收sk的資源,如下代碼所示:

tcp_v4_do_rcv 
    |-tcp_rcv_state_process 
int tcp_rcv_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, struct tcphdr *th, unsigned len) 
{ 
    ...... 
    /* step 5: check the ACK field */ 
    if (th->ack) { 
        ... 
        case TCP_LAST_ACK: 
            // 這處判斷是確認(rèn)此ack是發(fā)送Fin包對(duì)應(yīng)的那個(gè)ack 
            if (tp->snd_una == tp->write_seq) { 
                    tcp_update_metrics(sk); 
                    // 設(shè)置socket為closed，并回收socket的資源 
                    tcp_done(sk); 
                    goto discard; 
            } 
        ... 
    } 
}

上述代碼就是被動(dòng)關(guān)閉端的后兩次揮手了,如下圖所示:

出現(xiàn)大量close_wait的情況

linux中出現(xiàn)大量close_wait的情況一般是應(yīng)用在檢測(cè)到對(duì)端fin時(shí)沒(méi)有及時(shí)close當(dāng)前連接。有一種可能如下圖所示:

當(dāng)出現(xiàn)這種情況，通常是minIdle之類參數(shù)的配置不對(duì)(如果連接池有定時(shí)收縮連接功能的話)。給連接池加上心跳也可以解決這種問(wèn)題。

如果應(yīng)用close的時(shí)間過(guò)晚，對(duì)端已經(jīng)將連接給銷毀。則應(yīng)用發(fā)送給fin給對(duì)端，對(duì)端會(huì)由于找不到對(duì)應(yīng)的連接而發(fā)送一個(gè)RST(Reset)報(bào)文。

操作系統(tǒng)何時(shí)回收close_wait

如果應(yīng)用遲遲沒(méi)有調(diào)用close_wait,那么操作系統(tǒng)有沒(méi)有一個(gè)回收機(jī)制呢，答案是有的。

tcp本身有一個(gè)包活(keep alive)定時(shí)器，在(keep alive)定時(shí)器超時(shí)之后，會(huì)強(qiáng)行將此連接關(guān)閉。可以設(shè)置tcp keep alive的時(shí)間

/etc/sysctl.conf 
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75 
net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9 
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200

默認(rèn)值如上面所示，設(shè)置的很大，7200s后超時(shí)，如果想快速回收close_wait可以設(shè)置小一點(diǎn)。但最終解決方案還是得從應(yīng)用程序著手。

關(guān)于tcp keepalive包活定時(shí)器可見(jiàn)筆者另一篇博客:

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/833981

進(jìn)程關(guān)閉時(shí)清理socket資源

進(jìn)程在退出時(shí)候(無(wú)論kill,kill -9 或是正常退出)都會(huì)關(guān)閉當(dāng)前進(jìn)程中所有的fd(文件描述符)

do_exit 
    |-exit_files 
        |-__exit_files 
            |-close_files 
                    |-filp_close

這樣我們又回到了博客伊始的filp_close函數(shù)，對(duì)每一個(gè)是socket的fd發(fā)送send_fin

Java GC時(shí)清理socket資源

Java的socket最終關(guān)聯(lián)到AbstractPlainSocketImpl,且其重寫(xiě)了object的finalize方法

abstract class AbstractPlainSocketImpl extends SocketImpl 
{ 
    ...... 
    /** 
     * Cleans up if the user forgets to close it. 
     */ 
    protected void finalize() throws IOException { 
        close() 
    } 
    ...... 
}

所以Java會(huì)在GC時(shí)刻會(huì)關(guān)閉沒(méi)有被引用的socket,但是切記不要寄希望于Java的GC,因?yàn)镚C時(shí)刻并不是以未引用的socket數(shù)量來(lái)判斷的，所以有可能泄露了一堆socket,但仍舊沒(méi)有觸發(fā)GC。

總結(jié)

linux內(nèi)核源代碼博大精深，閱讀其代碼很費(fèi)周折。之前讀\<\>的時(shí)候由于有先輩引導(dǎo)和梳理，所以看書(shū)中所使用的BSD源碼并不覺(jué)得十分費(fèi)勁。直到現(xiàn)在自己帶著問(wèn)題獨(dú)立看linux源碼的時(shí)候，盡管有之前的基礎(chǔ)，仍舊被其中的各種細(xì)節(jié)所迷惑。希望筆者這篇文章能幫助到閱讀linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧代碼的人。

原文鏈接

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/1821680

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