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socket可读写

一、 满足下列四个条件中的任何一个时，一个套接字准备好读

1. 该套接字接收缓冲区中的数据字节数大于等于套接字接收缓存区低水位。对于TCP和UDP套接字而言，缓冲区低水位的值默认为1。那就意味着，默认情况下，只要缓冲区中有数据，那就是可读的。我们可以通过使用SO_RCVLOWAT套接字选项(参见setsockopt函数)来设置该套接字的低水位大小。此种描述符就绪(可读)的情况下，当我们使用read/recv等对该套接字执行读操作的时候，套接字不会阻塞，而是成功返回一个大于0的值（即可读数据的大小）。
2. 该连接的读半部关闭（也就是接收了FIN的TCP连接）。对这样的套接字的读操作，将不会阻塞，而是返回0（也就是EOF）。
3. 该套接字是一个listen的监听套接字，并且目前已经完成的连接数不为0。对这样的套接字进行accept操作通常不会阻塞。
4. 有一个错误套接字待处理。对这样的套接字的读操作将不阻塞并返回-1（也就是返回了一个错误），同时把errno设置成确切的错误条件。这些待处理错误(pending error)也可以通过指定SO_ERROR套接字选项调用getsockopt获取并清除。

二、满足下列四个条件中的任何一个时，一个套接字准备好写。

1. 该套接字发送缓冲区中的可用空间字节数大于等于套接字发送缓存区低水位标记时，并且该套接字已经成功连接（UDP套接字不需要连接）。对于TCP和UDP而言，这个低水位的值默认为2048，而套接字默认的发送缓冲区大小是8k，这就意味着一般一个套接字连接成功后，就是处于可写状态的。我们可以通过SO_SNDLOWAT套接字选项（参见setsockopt函数）来设置这个低水位。此种情况下，我们设置该套接字为非阻塞，对该套接字进行写操作(如write,send等)，将不阻塞，并返回一个正值（例如由传输层接受的字节数，即发送的数据大小）。

2. 该连接的写半部关闭(主动发送FIN包的TCP连接)。对这样的套接字的写操作将会产生SIGPIPE信号。所以我们的网络程序基本都要自定义处理SIGPIPE信号。因为SIGPIPE信号的默认处理方式是程序退出。

3. 使用非阻塞的connect套接字已建立连接，或者connect已经以失败告终。即connect有结果了。

4. 有一个错误的套接字待处理。对这样的套接字的写操作将不阻塞并返回-1（也就是返回了一个错误），同时把errno设置成确切的错误条件。这些待处理的错误也可以通过指定SO_ERROR套接字选项调用getsockopt获取并清除。

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我认为，想要熟练掌握Linux下的TCP/IP网络编程，至少有三个层面的知识需要熟悉：

1. TCP/IP协议（如连接的建立和终止、重传和确认、滑动窗口和拥塞控制等等）

2. Socket I/O系统调用（重点如read/write），这是TCP/IP协议在应用层表现出来的行为。

3. 编写Performant, Scalable的服务器程序。包括多线程、IO Multiplexing、非阻塞、异步等各种技术。

关于TCP/IP协议，建议参考Richard Stevens的《TCP/IP Illustrated，vol1》（TCP/IP详解卷1）。

关于第二层面，依然建议Richard Stevens的《Unix network proggramming，vol1》（Unix网络编程卷1），这两本书公认是Unix网络编程的圣经。

至于第三个层面，UNP的书中有所提及，也有著名的C10K问题，业界也有各种各样的框架和解决方案，本人才疏学浅，在这里就不一一敷述。

本文的重点在于第二个层面，主要总结一下Linux下TCP/IP网络编程中的read/write系统调用的行为，知识来源于自己网络编程的粗浅经验和对《Unix网络编程卷1》相关章节的总结。由于本人接触Linux下网络编程时间不长，错误和疏漏再所难免

一. read/write的语义：为什么会阻塞？

先从write说起：

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

首先，write成功返回，只是buf中的数据被复制到了kernel中的TCP发送缓冲区。至于数据什么时候被发往网络，什么时候被对方主机接收，什么时候被对方进程读取，系统调用层面不会给予任何保证和通知。

write在什么情况下会阻塞？当kernel的该socket的发送缓冲区已满时。对于每个socket，拥有自己的send buffer和receive buffer。从Linux 2.6开始，两个缓冲区大小都由系统来自动调节（autotuning），但一般在default和max之间浮动。

# 获取socket的发送/接受缓冲区的大小：（后面的值是在我在Linux 2.6.38 x86_64上测试的结果）
sysctl net.core.wmem_default       #126976
sysctl net.core.wmem_max　　　　    #131071
sysctl net.core.wmem_default       #126976
sysctl net.core.wmem_max           #131071

已经发送到网络的数据依然需要暂存在send buffer中，只有收到对方的ack后，kernel才从buffer中清除这一部分数据，为后续发送数据腾出空间。接收端将收到的数据暂存在receive buffer中，自动进行确认。但如果socket所在的进程不及时将数据从receive buffer中取出，最终导致receive buffer填满，由于TCP的滑动窗口和拥塞控制，接收端会阻止发送端向其发送数据。这些控制皆发生在TCP/IP栈中，对应用程序是透明的，应用程序继续发送数据，最终导致send buffer填满，write调用阻塞。

一般来说，由于接收端进程从socket读数据的速度跟不上发送端进程向socket写数据的速度，最终导致发送端write调用阻塞。

而read调用的行为相对容易理解，从socket的receive buffer中拷贝数据到应用程序的buffer中。read调用阻塞，通常是发送端的数据没有到达。

二. blocking（默认）和nonblock模式下read/write行为的区别：

将socket fd设置为nonblock（非阻塞）是在服务器编程中常见的做法，采用blocking IO并为每一个client创建一个线程的模式开销巨大且可扩展性不佳（带来大量的切换开销），更为通用的做法是采用线程池+Nonblock I/O+Multiplexing（select/poll，以及Linux上特有的epoll）。

/ 设置一个文件描述符为nonblock
int set_nonblocking(int fd)
{
    int flags;
    if ((flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) == -1)
        flags = 0;
    return fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
}

几个重要的结论：

1. read总是在接收缓冲区有数据时立即返回，而不是等到给定的read buffer填满时返回。

只有当receive buffer为空时，blocking模式才会等待，而nonblock模式下会立即返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）

2. blocking的write只有在缓冲区足以放下整个buffer时才返回（与blocking read并不相同）

nonblock write则是返回能够放下的字节数，之后调用则返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）

对于blocking的write有个特例：当write正阻塞等待时对面关闭了socket，则write则会立即将剩余缓冲区填满并返回所写的字节数，再次调用则write失败（connection reset by peer），这正是下个小节要提到的：

三. read/write对连接异常的反馈行为：

对应用程序来说，与另一进程的TCP通信其实是完全异步的过程：

1. 我并不知道对面什么时候、能否收到我的数据

2. 我不知道什么时候能够收到对面的数据

3. 我不知道什么时候通信结束（主动退出或是异常退出、机器故障、网络故障等等）

对于1和2，采用write() -> read() -> write() -> read() ->...的序列，通过blocking read或者nonblock read+轮询的方式，应用程序基于可以保证正确的处理流程。

对于3，kernel将这些事件的“通知”通过read/write的结果返回给应用层。

假设A机器上的一个进程a正在和B机器上的进程b通信：某一时刻a正阻塞在socket的read调用上（或者在nonblock下轮询socket）

当b进程终止时，无论应用程序是否显式关闭了socket（OS会负责在进程结束时关闭所有的文件描述符，对于socket，则会发送一个FIN包到对面）。

”同步通知“：进程a对已经收到FIN的socket调用read，如果已经读完了receive buffer的剩余字节，则会返回EOF:0

”异步通知“：如果进程a正阻塞在read调用上（前面已经提到，此时receive buffer一定为空，因为read在receive buffer有内容时就会返回），则read调用立即返回EOF，进程a被唤醒。

socket在收到FIN后，虽然调用read会返回EOF，但进程a依然可以其调用write，因为根据TCP协议，收到对方的FIN包只意味着对方不会再发送任何消息。 在一个双方正常关闭的流程中，收到FIN包的一端将剩余数据发送给对面（通过一次或多次write），然后关闭socket。

但是事情远远没有想象中简单。优雅地（gracefully)关闭一个TCP连接，不仅仅需要双方的应用程序遵守约定，中间还不能出任何差错。

假如b进程是异常终止的，发送FIN包是OS代劳的，b进程已经不复存在，当机器再次收到该socket的消息时，会回应RST（因为拥有该socket的进程已经终止）。a进程对收到RST的socket调用write时，操作系统会给a进程发送SIGPIPE，默认处理动作是终止进程，知道你的进程为什么毫无征兆地死亡了吧：会直接死亡？？）

from 《Unix Network programming, vol1》 3rd Edition：

"It is okay to write to a socket that has received a FIN, but it is an error to write to a socket that has received an RST."

通过以上的叙述，内核通过socket的read/write将双方的连接异常通知到应用层，虽然很不直观，似乎也够用。

不知道有没有同学会和我有一样的感慨：在写TCP/IP通信时，似乎没怎么考虑连接的终止或错误，只是在read/write错误返回时关闭socket，程序似乎也能正常运行，但某些情况下总是会出奇怪的问题。想完美处理各种错误，却发现怎么也做不对。

原因之一是：socket（或者说TCP/IP栈本身）对错误的反馈能力是有限的。

考虑这样的错误情况：

不同于b进程退出（此时OS会负责为所有打开的socket发送FIN包），当B机器的OS崩溃（注意不同于人为关机，因为关机时所有进程的退出动作依然能够得到保证）/主机断电/网络不可达时，a进程根本不会收到FIN包作为连接终止的提示。

如果a进程阻塞在read上，那么结果只能是永远的等待。

如果a进程先write然后阻塞在read，由于收不到B机器TCP/IP栈的ack，TCP会持续重传12次（时间跨度大约为9分钟），然后在阻塞的read调用上返回错误：ETIMEDOUT/EHOSTUNREACH/ENETUNREACH

假如B机器恰好在某个时候恢复和A机器的通路，并收到a某个重传的pack，因为不能识别所以会返回一个RST，此时a进程上阻塞的read调用会返回错误ECONNREST

恩，socket对这些错误还是有一定的反馈能力的，前提是在对面不可达时你依然做了一次write调用，而不是轮询或是阻塞在read上，那么总是会在重传的周期内检测出错误。如果没有那次write调用，应用层永远不会收到连接错误的通知。

write的错误最终通过read来通知应用层，有点阴差阳错？

四. 还需要做什么?

至此，我们知道了仅仅通过read/write来检测异常情况是不靠谱的，还需要一些额外的工作：

1. 使用TCP的KEEPALIVE功能？

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time7200cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl75cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes9

以上参数的大致意思是：keepalive routine每2小时（7200秒）启动一次，发送第一个probe（探测包），如果在75秒内没有收到对方应答则重发probe，当连续9个probe没有被应答时，认为连接已断。（此时read调用应该能够返回错误，待测试）

2. 进行应用层的心跳

严格的网络程序中，应用层的心跳协议是必不可少的。虽然比TCP自带的keep alive要麻烦不少（怎样正确地实现应用层的心跳，但有其最大的优点：可控。

当然，也可以简单一点，针对连接做timeout，关闭一段时间没有通信的”空闲“连接。