TCP/IP网络编程——优雅的断开套接字的连接

第 7 章 优雅的断开套接字的连接

7.1 基于 TCP 的半关闭

TCP 的断开连接过程比建立连接更重要因为连接过程中一般不会出现大问题但是断开过程可能发生预想不到的情况。因此应该准确掌控所以要掌握半关闭Half-close才能明确断开过程。

7.1.1 单方面断开连接带来的问题

Linux 的 close 函数和 Windows 的 closesocket 函数意味着完全断开连接。完全断开不仅指无法传输数据而且也不能接收数据。因此在某些情况下通信一方调用 close 函数或者 closesocket 函数显得不太优雅。如图所示

图中描述的是 2 台主机正在进行双向通信主机 A 发送完最后的数据后调用 close 函数断开了最后的连接之后主机 A 无法再接受主机 B 传输的数据。实际上是完全无法调用与接受数据相关的函数。最终由主机 B 传输的、主机 A 必须要接受的数据也销毁了。

为了解决这类问题只关闭一部分数据交换中使用的流的方法应运而生。断开一部分连接是指可以传输数据但是无法接收或可以接受数据但无法传输。顾名思义就是只关闭流的一半。

7.1.2 套接字和流Stream

两台主机通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态又称流形成的状态。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看作一种流。

此处的流可以比作水流。水朝着一个方向流动同样在套接字的流中数据也止呕能向一个方向流动。因此为了进行双向通信需要如图所示的两个流

一旦两台主机之间建立了套接字连接每个主机就会拥有单独的输入流和输出流。其中一个主机的输入流与另一个主机的输出流相连而输出流则与另一个主机的输入流相连。断开连接方式只断开其中 1 个流而非同时断开两个流。Linux 的 close 函数和 Windows 的 closesocket 函数将同时断开这两个流这样的方式确实不够优雅。

7.1.3 针对优雅断开的 shutdown 函数

shutdown 用来关闭其中一个流

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sock, int howto);
/*
成功时返回 0 失败时返回 -1
sock: 需要断开套接字文件描述符
howto: 传递断开方式信息
*/

调用上述函数时第二个参数决定断开连接的方式其值如下所示

• SHUT_RD : 断开输入流
• SHUT_WR : 断开输出流
• SHUT_RDWR : 同时断开 I/O 流

若向 shutdown 的第二个参数传递 SHUT_RD则断开输入流套接字无法接收数据。即使输入缓冲收到数据也会抹去而且无法调用相关函数。如果向 shutdown 的第二个参数传 SHUT_WR则中断输出流也就无法传输数据。若如果输出缓冲中还有未传输的数据则将传递给目标主机。最后若传递关键 SHUT_RDWR则同时中断 I/O 流。这相当于分 2 次调用 shutdown 其中一次以SHUT_RD为参数另一次以 SHUT_WR为参数。

7.1.4 为何要半关闭

考虑以下情况

客户端断开连接前还有数据要传输的情况。

比客户端连接到服务器服务器将约定的文件传输给客户端客户端收到后发送字符串 Thank you 给服务器端但在这之前两者断开了那么Thank you发不出去了。

程序的实现难度并不小因为传输文件的服务器端只需连续传输文件数据即可而客户端无法知道需要接收数据到何时。客户端也没办法无休止的调用输入函数因为这有可能导致程序阻塞。

是否可以让服务器和客户端约定一个代表文件尾的字符

这种方式也有问题因为这意味这文件中不能有与约定字符相同的内容。为了解决该问题服务端应最后向客户端传递 EOF 表示文件传输结束。客户端通过函数返回值接收 EOF 这样可以避免与文件内容冲突。那么问题来了服务端如何传递 EOF

断开输出流时向主机传输 EOF。

如果调用 close 函数的会关闭 I/O 流这样也会向对方发送 EOF 。但此时无法再接受对方传输的数据。换言之若调用 close 函数关闭流就无法接受客户端最后发送的字符串「Thank you」。这时需要调用 shutdown 函数只关闭服务器的输出流。这样既可以发送 EOF 同时又保留了输入流。下面实现收发文件的服务器端/客户端。

7.1.5 基于半关闭的文件传输程序

上述文件传输服务器端和客户端的数据流可以整理如图

代码如下

服务端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int serv_sd, clnt_sd;
    FILE* fp;
    char buf[BUF_SIZE];
    int read_cnt;

    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;

    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    fp = fopen("file_server.c", "rb");
    serv_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    bind(serv_sd, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
    listen(serv_sd, 5);

    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    clnt_sd = accept(serv_sd, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);

    while (1)
    {
        //从文件流中读取数据buffer为接收数据的地址size为一个单元的大小count为单元个数stream为文件流
        //返回实际读取的单元个数
        read_cnt = fread((void*)buf, 1, BUF_SIZE, fp);
        if (read_cnt < BUF_SIZE)
        {
            write(clnt_sd, buf, read_cnt);
            break;
        }
        write(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
    }

    shutdown(clnt_sd, SHUT_WR);
    read(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
    printf("Message from client: %s \n", buf);

    fclose(fp);
    close(clnt_sd);
    close(serv_sd);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int sd;
    FILE* fp;

    char buf[BUF_SIZE];
    int read_cnt;
    struct sockaddr_in serv_adr;

    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    fp = fopen("receive.dat", "wb");
    sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    connect(sd, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));

    while ((read_cnt = read(sd, buf, BUF_SIZE)) != 0)
        fwrite((void*)buf, 1, read_cnt, fp);

    puts("Received file data");
    write(sd, "Thank you", 10);
    fclose(fp);
    close(sd);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

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