Linux Socket编程注意事项

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Socket API 是网络应用程序开发中实际应用的标准 API。尽管该 API 简单，但是开发新手可能会经历一些常见的问题。本文识别一些最常见的隐患并向您显示如何避免它们。

隐患 1．忽略返回状态

第一个隐患很明显，但它是开发新手最容易犯的一个错误。如果您忽略函数的返回状态，当它们失败或部分成功的时候，您也许会迷失。反过来，这可能传播错误，使定位问题的源头变得困难。

捕获并检查每一个返回状态，而不是忽略它们。考虑清单 1 显示的例子，一个套接字 send 函数。

清单 1. 忽略 API 函数返回状态

int status, sock, mode;
/* Create a new stream (TCP) socket */
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
...
status = send( sock, buffer, buflen, MSG_DONTWAIT );
if (status == -1) {
  /* send failed */
  printf( "send failed: %s\n", strerror(errno) );
} else {
  /* send succeeded -- or did it? */
}

清单 1 探究一个函数片断，它完成套接字 send 操作（通过套接字发送数据）。函数的错误状态被捕获并测试，但这个例子忽略了 send 在无阻塞模式（由 MSG_DONTWAIT 标志启用）下的一个特性。

send API 函数有三类可能的返回值：

· 如果数据成功地排到传输队列，则返回 0。

· 如果排队失败，则返回 -1（通过使用 errno 变量可以了解失败的原因）。

· 如果不是所有的字符都能够在函数调用时排队，则最终的返回值是发送的字符数。

由于 send 的 MSG_DONTWAIT 变量的无阻塞性质，函数调用在发送完所有的数据、一些数据或没有发送任何数据后返回。在这里忽略返回状态将导致不完全的发送和随后的数据丢失。

隐患 2．对等套接字闭包

UNIX 有趣的一面是您几乎可以把任何东西看成是一个文件。文件本身、目录、管道、设备和套接字都被当作文件。这是新颖的抽象，意味着一整套的 API 可以用在广泛的设备类型上。

考虑 read API 函数，它从文件读取一定数量的字节。read 函数返回读取的字节数（最高为您指定的最大值）；或者 -1，表示错误；或者 0，如果已经到达文件末尾。

如果在一个套接字上完成一个 read 操作并得到一个为 0 的返回值，这表明远程套接字端的对等层调用了 close API 方法。该指示与文件读取相同 —— 没有多余的数据可以通过描述符读取（参见 清单 2）。

清单 2．适当处理 read API 函数的返回值

int sock, status;
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
...
status = read( sock, buffer, buflen );
if (status > 0) {
  /* Data read from the socket */
} else if (status == -1) {
  /* Error, check errno, take action... */
} else if (status == 0) {
  /* Peer closed the socket, finish the close */
  close( sock );
  /* Further processing... */
}

同样，可以用 write API 函数来探测对等套接字的闭包。在这种情况下，接收 SIGPIPE 信号，或如果该信号阻塞，write 函数将返回 -1 并设置 errno 为 EPIPE。

隐患 3．地址使用错误（EADDRINUSE）

您可以使用 bind API 函数来绑定一个地址（一个接口和一个端口）到一个套接字端点。可以在服务器设置中使用这个函数，以便限制可能有连接到来的接口。也可以在客户端设置中使用这个函数，以便限制应当供出去的连接所使用的接口。bind 最常见的用法是关联端口号和服务器，并使用通配符地址（INADDR_ANY），它允许任何接口为到来的连接所使用。

bind 普遍遭遇的问题是试图绑定一个已经在使用的端口。该陷阱是也许没有活动的套接字存在，但仍然禁止绑定端口（bind 返回EADDRINUSE），它由 TCP 套接字状态 TIME_WAIT 引起。该状态在套接字关闭后约保留 2 到 4 分钟。在 TIME_WAIT 状态退出之后，套接字被删除，该地址才能被重新绑定而不出问题。

等待 TIME_WAIT 结束可能是令人恼火的一件事，特别是如果您正在开发一个套接字服务器，就需要停止服务器来做一些改动，然后重启。幸运的是，有方法可以避开 TIME_WAIT 状态。可以给套接字应用 SO_REUSEADDR 套接字选项，以便端口可以马上重用。

考虑清单 3 的例子。在绑定地址之前，我以 SO_REUSEADDR 选项调用 setsockopt。为了允许地址重用，我设置整型参数（on）为 1 （不然，可以设为 0 来禁止地址重用）。

清单 3．使用 SO_REUSEADDR 套接字选项避免地址使用错误

int sock, ret, on;
struct sockaddr_in servaddr;
/* Create a new stream (TCP) socket */
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 ):
/* Enable address reuse */on = 1;
ret = setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on) );
/* Allow connections to port 8080 from any available interface */
memset( &servaddr, 0, sizeof(servaddr) );servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY );
servaddr.sin_port = htons( 45000 );
/* Bind to the address (interface/port) */
ret = bind( sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr) );

在应用了 SO_REUSEADDR 选项之后，bind API 函数将允许地址的立即重用。

隐患 4．TCP 中的帧同步假定

TCP 不提供帧同步，这使得它对于面向字节流的协议是完美的。这是 TCP 与 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）的一个重要区别。UDP 是面向消息的协议，它保留发送者和接收者之间的消息边界。TCP 是一个面向流的协议，它假定正在通信的数据是无结构的，如图 1 所示。

图 1．UDP 的帧同步能力和缺乏帧同步的 TCP

图 1 的上部说明一个 UDP 客户端和服务器。左边的对等层完成两个套接字的写操作，每个 100 字节。协议栈的 UDP 层追踪写的数量，并确保当右边的接收者通过套接字获取数据时，它以同样数量的字节到达。换句话说，为读者保留了写者提供的消息边界。

现在，看图 1 的底部．它为 TCP 层演示了相同粒度的写操作。两个独立的写操作（每个 100 字节）写入流套接字。但在本例中，流套接字的读者得到的是 200 字节。协议栈的 TCP 层聚合了两次写操作。这种聚合可以发生在 TCP/IP 协议栈的发送者或接收者中任何一方。重要的是，要注意到聚合也许不会发生 —— TCP 只保证数据的有序发送。

对大多数开发人员来说，该陷阱会引起困惑。您想要获得 TCP 的可靠性和 UDP 的帧同步。除非改用其他的传输协议，比如流传输控制协议（STCP），否则就要求应用层开发人员来实现缓冲和分段功能。

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