从 Linux 源码看 socket 的 close

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作者：无毁的湖光-Al 

my.oschina.net/alchemystar/blog/1821680

笔者一直觉得如果能知道从应用到框架再到操作系统的每一处代码，是一件Exciting的事情。上篇博客讲了socket的阻塞和非阻塞，这篇就开始谈一谈socket的close(以tcp为例且基于linux-2.6.24内核版本)

TCP关闭状态转移图

众所周知，TCP的close过程是四次挥手，状态机的变迁也逃不出TCP状态转移图，如下图所示:

tcp的关闭主要分主动关闭、被动关闭以及同时关闭(特殊情况,不做描述)

主动关闭

close(fd)的过程

以C语言为例，在我们关闭socket的时候，会使用close(fd)函数:

int    socket_fd;

socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

...

// 此处通过文件描述符关闭对应的socket

close(socket_fd)

而close(int fd)又是通过系统调用sys_close来执行的:

asmlinkage long sys_close(unsigned int fd)

{

// 清除(close_on_exec即退出进程时）的位图标记

FD_CLR(fd, fdt->close_on_exec);

// 释放文件描述符

// 将fdt->open_fds即打开的fd位图中对应的位清除

// 再将fd挂入下一个可使用的fd以便复用

__put_unused_fd(files, fd);

// 调用file_pointer的close方法真正清除

retval = filp_close(filp, files);

}

我们看到最终是调用的filp_close方法:

紧接着我们进入fput:

同一个file(socket)有多个引用的情况很常见，例如下面的例子:

所以在多进程的socket服务器编写过程中，父进程也需要close(fd)一次，以免socket无法最终关闭

然后就是_fput函数了:

由于我们讨论的是socket的close,所以，我们现在探查下file->f_op->release在socket情况下的实现:

f_op->release的赋值

我们跟踪创建socket的代码，即

socket_file_ops的实现为:

static const struct file_operations socket_file_ops = {

.owner = THIS_MODULE,

......

// 我们在这里只考虑sock_close

.release = sock_close,

......

};

继续跟踪:

在上一篇博客中，我们知道sock->ops为下图所示:

即(在这里我们仅考虑tcp,即sk_prot=tcp_prot):

关于fd与socket的关系如下图所示:

上图中红色线标注的是close(fd)的调用链

tcp_close

四次挥手

现在就是我们的四次挥手环节了，其中上半段的两次挥手下图所示:

首先，在tcp_close_state(sk)中已经将状态设置为fin_wait1,并调用tcp_send_fin

void tcp_send_fin(struct sock *sk)

{

......

// 这边设置flags为ack和fin

TCP_SKB_CB(skb)->flags = (TCPCB_FLAG_ACK | TCPCB_FLAG_FIN);

......

// 发送fin包，同时关闭nagle

__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, TCP_NAGLE_OFF);

}

如上图Step1所示。 接着，主动关闭的这一端等待对端的ACK，如果ACK回来了，就设置TCP状态为FIN_WAIT2,如上图Step2所示,具体代码如下:

值的注意的是，从TCP_FIN_WAIT1变迁到TCP_FIN_WAIT2之后，还调用tcp_time_wait设置一个TCP_FIN_WAIT2定时器，在tmo+(2MSL或者基于RTO计算超时)超时后会直接变迁到closed状态(不过此时已经是inet_timewait_sock了）。这个超时时间可以配置,如果是ipv4的话,则可以按照下列配置:

net.ipv4.tcp_fin_timeout  

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

如下图所示:

有这样一步的原因是防止对端由于种种原因始终没有发送fin,防止一直处于FIN_WAIT2状态。

接着在FIN_WAIT2状态等待对端的FIN，完成后面两次挥手:

由Step1和Step2将状态置为了FIN_WAIT_2，然后接收到对端发送的FIN之后,将会将状态设置为time_wait,如下代码所示:

time_wait状态时，原socket会被destroy,然后新创建一个inet_timewait_sock,这样就能及时的将原socket使用的资源回收。而inet_timewait_sock被挂入一个bucket中，由 inet_twdr_twcal_tick定时从bucket中将超过(2MSL或者基于RTO计算的时间)的time_wait的实例删除。 我们来看下tcp_time_wait函数

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的具体位置等待定时器删除

inet_twsk_schedule(tw, &tcp_death_row, time,TCP_TIMEWAIT_LEN);

// 设置sk状态为TCP_CLOSE,然后回收sk资源

tcp_done(sk);

}

具体的定时器操作函数为inet_twdr_twcal_tick,这边就不做描述了

被动关闭

close_wait

在tcp的socket时候，如果是established状态，接收到了对端的FIN,则是被动关闭状态,会进入close_wait状态,如下图Step1所示:

具体代码如下所示:

我们再看下tcp_fin

这边有意思的点是，收到对端的fin之后并不会立即发送ack告知对端收到了，而是等有数据携带一块发送,或者等携带重传定时器到期后发送ack。

如果对端关闭了，应用端在read的时候得到的返回值是0,此时就应该手动调用close去关闭连接

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

    close(sockfd)

}

我们看下recv是怎么处理fin包，从而返回0的,上一篇博客可知，recv最后调用tcp_rcvmsg,由于比较复杂，我们分两段来看:

tcp_recvmsg第一段

上面代码的处理过程如下图所示:

我们看下tcp_recmsg的第二段:

由上面代码可知，一旦当前skb读完了而且携带有fin标识，则不管有没有读到用户期望的字节数量都会返回已读到的字节数。下一次再读取的时候则在刚才描述的tcp_rcvmsg上半段直接不读取任何数据再跳转到found_fin_ok并返回0。这样应用就能感知到对端已经关闭了。 如下图所示:

last_ack

应用层在发现对端关闭之后已经是close_wait状态，这时候再调用close的话，会将状态改为last_ack状态，并发送本端的fin,如下代码所示:

在接收到主动关闭端的last_ack之后，则调用tcp_done(sk)设置sk为tcp_closed状态，并回收sk的资源,如下代码所示:

上述代码就是被动关闭端的后两次挥手了,如下图所示:

出现大量close_wait的情况

linux中出现大量close_wait的情况一般是应用在检测到对端fin时没有及时close当前连接。有一种可能如下图所示:

当出现这种情况，通常是minIdle之类参数的配置不对(如果连接池有定时收缩连接功能的话)。给连接池加上心跳也可以解决这种问题。

如果应用close的时间过晚，对端已经将连接给销毁。则应用发送给fin给对端，对端会由于找不到对应的连接而发送一个RST(Reset)报文。

操作系统何时回收close_wait

如果应用迟迟没有调用close_wait,那么操作系统有没有一个回收机制呢，答案是有的。 tcp本身有一个包活(keep alive)定时器，在(keep alive)定时器超时之后，会强行将此连接关闭。可以设置tcp keep alive的时间

/etc/sysctl.conf

net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75

net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9

net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200  

默认值如上面所示，设置的很大，7200s后超时，如果想快速回收close_wait可以设置小一点。但最终解决方案还是得从应用程序着手。

关于tcp keepalive包活定时器可见笔者另一篇博客:

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

进程关闭时清理socket资源

进程在退出时候(无论kill,kill -9 或是正常退出)都会关闭当前进程中所有的fd(文件描述符)

这样我们又回到了博客伊始的filp_close函数，对每一个是socket的fd发送send_fin

Java GC时清理socket资源

Java的socket最终关联到AbstractPlainSocketImpl,且其重写了object的finalize方法

所以Java会在GC时刻会关闭没有被引用的socket,但是切记不要寄希望于Java的GC,因为GC时刻并不是以未引用的socket数量来判断的，所以有可能泄露了一堆socket,但仍旧没有触发GC。

总结

linux内核源代码博大精深，阅读其代码很费周折。之前读《TCP/IP详解卷二》的时候由于有先辈引导和梳理，所以看书中所使用的BSD源码并不觉得十分费劲。直到现在自己带着问题独立看linux源码的时候，尽管有之前的基础，仍旧被其中的各种细节所迷惑。希望笔者这篇文章能帮助到阅读linux网络协议栈代码的人。

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