【转】一个有关tcp的非常有意思的问题

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假设以下场景：

在tcp建立连接后，先主动关闭其服务端，之后再在客户端下对其socket进行写操作，正常思维都会认为，这个写操作肯定会返回错误吧？

还真不一定。

今天在写代码时就遇到了这个问题，还纠结了挺久的，最后翻了下linux内核源码，才确定了答案。

先用下面的程序模拟下这个场景：

#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h> #include <netinet/in.h> #include <signal.h> #include <stdio.h> #include <strings.h> #include <sys/socket.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int tcp_connect() { int sockfd, err; struct sockaddr_in addr; sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); assert(sockfd != -1); bzero(&addr, sizeof(addr)); addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); addr.sin_port = htons(9999); err = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)); assert(err == 0); return sockfd; } int main(int argc, char **argv) { int n; int sockfd = tcp_connect(); signal(SIGPIPE, SIG_IGN); // 防止write触发SIGPIPE，便于测试 printf("请于5秒钟内关闭服务端...\n"); sleep(5); // write 1 n = write(sockfd, "hello\n", 6); if (n == -1) { perror("第一次write失败"); return -1; } assert(n == 6); printf("第一次write成功!\n"); sleep(1); // 确保客户端收到tcp的reset消息 // write 2 n = write(sockfd, "world\n", 6); if (n == -1) { perror("第二次write失败"); return -1; } assert(n == 6); printf("第二次write成功!\n"); return 0; }

这段程序代表客户端，服务端就用ncat来模拟。

下面是执行流程：

先打开一个terminal，用ncat开一个服务端：

$ ncat -l 9999

再打开另一个terminal，编译上面的程序，然后执行：

$ gcc main.c
$ ./a.out
请于5秒钟内关闭服务端...
第一次write成功!
第二次write失败: Broken pipe

当客户端提示关闭服务端时，要切换到对应的terminal，关闭服务端。

从上面的输出可以看到，之后的两次写，第一次成功了，第二次才失败。

奇怪吧。

我们用tcpdump抓包看下，第一次是否是真的写成功了：

$ sudo tcpdump -i any -n# port 9999
    1  17:59:07.812599 IP 127.0.0.1.51614 > 127.0.0.1.9999: Flags [S], seq 1076934668, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 134308422 ecr 0,nop,wscale 7], length 0 2 17:59:07.812648 IP 127.0.0.1.9999 > 127.0.0.1.51614: Flags [S.], seq 3833531274, ack 1076934669, win 65483, options [mss 65495,sackOK,TS val 134308422 ecr 134308422,nop,wscale 7], length 0 3 17:59:07.812691 IP 127.0.0.1.51614 > 127.0.0.1.9999: Flags [.], ack 1, win 512, options [nop,nop,TS val 134308422 ecr 134308422], length 0 4 17:59:09.832579 IP 127.0.0.1.9999 > 127.0.0.1.51614: Flags [F.], seq 1, ack 1, win 512, options [nop,nop,TS val 134310442 ecr 134308422], length 0 5 17:59:09.835181 IP 127.0.0.1.51614 > 127.0.0.1.9999: Flags [.], ack 2, win 512, options [nop,nop,TS val 134310445 ecr 134310442], length 0 6 17:59:12.813697 IP 127.0.0.1.51614 > 127.0.0.1.9999: Flags [P.], seq 1:7, ack 2, win 512, options [nop,nop,TS val 134313423 ecr 134310442], length 6 7 17:59:12.813735 IP 127.0.0.1.9999 > 127.0.0.1.51614: Flags [R], seq 3833531276, win 0, length 0

还真是成功了，看上面第6个包，发送的数据长度是6，即：我们代码中的hellon。

这里大概解释下tcpdump的输出：

前三个包是tcp的三次握手，完成之后代表tcp建立连接成功。

第四个包是我们在关闭服务端时，服务端发给客户端的fin包，表示关闭连接请求。

第五个包是客户端发给服务端的tcp层的ack，表示已经收到fin包。

第六个包是客户端发给服务端的hello\n字符串。

第七个包是服务端的tcp层发给客户端的reset包，因为此时服务端的socket已经关闭了。

由tcpdump的输出可以确定，第一次write的确是写成功了，但为什么呢？明明服务端的socket都已经关闭了，为什么还可以发送呢？并且为什么第一次可以发送，第二次就不行了呢？

来看下内核源码是怎么做的：

// net/ipv4/tcp_input.c
int tcp_sendmsg_locked(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size) { ... err = -EPIPE; if (sk->sk_err || (sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN)) goto do_error; ... // 省略这部分是tcp发送数据的代码 ... return copied + copied_syn; ... do_error: ... return err; } EXPORT_SYMBOL_GPL(tcp_sendmsg_locked);

该方法就是tcp发消息的方法。

由上可见，只有当socket发生错误时，或者我们关闭了socket的send端，上面的write方法才会返回错误，其他情况下，write的数据都会正常发送。

由tcp的相关知识我们可以知道，当服务端发送fin消息给客户端时，客户端的socket进入了CLOSE_WAIT状态，即：等待客户端的程序关闭其socket。

也就是说，fin消息并没有使客户端的socket发生错误，也并没有关闭客户端socket的send端（但是关闭了客户端socket的receive端），所以第一次write就成功的将数据发送出去了。

那第二次write为什么失败呢？

看上面tcpdump的输出就知道了，当第一次write之后，服务端的操作系统收到数据，发现其对应的socket已经关闭了，所以就发送了个reset包给客户端。

客户端在收到reset包后，执行了下面的代码：

// net/ipv4/tcp_input.c
void tcp_reset(struct sock *sk)
{
        ...
        switch (sk->sk_state) {
        ...
        case TCP_CLOSE_WAIT:
                sk->sk_err = EPIPE;
                break;
        ...
        }
        ...
        tcp_done(sk);
        ...
}

由上可见，sk->sk_err被设置为了EPIPE，其实，在下面的tcp_done方法里，也关闭了socket的send端，不过这个已经影响不大了。

所以，在我们第二次调用write时，当执行到tcp_sendmsg_locked方法时，就直接跳到了do_error，即：返回err给用户。

至此，就完美解释了，为什么会有上述奇怪的现象。

其实，我们不用看代码，仔细想想tcp的细节，也是可以理解，操作系统为什么会有这样的行为。

在第一次write之前，我们的socket收到fin包，进入到CLOSE_WAIT状态，此时，其实并不能说明服务端已经完全关闭了连接，它还有可能是发送fin包，只是为了关闭其send端，但它还是可以读的，所以我们理应也可以继续写。

这样想就更容易明白些了吧。

不过，从源码角度看这个问题，还是来的更实在些。

如果有对tcp源码有兴趣的同学，可以看下我之前写的tcp源码分析系列文章：

TCP/IP 状态转换图及源码分析文章列表

完。

【转】一个有关tcp的非常有意思的问题

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