筆者一直覺得如果能知道從應用到框架再到操作系統(tǒng)的每一處代碼，是一件Exciting的事情。上篇博客講了socket的阻塞和非阻塞，這篇就開始談一談socket的close(以tcp為例且基于linux-2.6.24內(nèi)核版本)

TCP關閉狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

眾所周知，TCP的close過程是四次揮手，狀態(tài)機的變遷也逃不出TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如下圖所示:

tcp的關閉主要分主動關閉、被動關閉以及同時關閉(特殊情況,不做描述)

主動關閉

close(fd)的過程

以C語言為例，在我們關閉socket的時候，會使用close(fd)函數(shù):

intsocket_fd;

socket_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

...

// 此處通過文件描述符關閉對應的socket

close(socket_fd)

而close(int fd)又是通過系統(tǒng)調(diào)用sys_close來執(zhí)行的:

asmlinkage longsys_close(unsignedintfd)

{

// 清除(close_on_exec即退出進程時）的位圖標記

FD_CLR(fd,fdt->close_on_exec);

// 釋放文件描述符

// 將fdt->open_fds即打開的fd位圖中對應的位清除

// 再將fd掛入下一個可使用的fd以便復用

__put_unused_fd(files,fd);

// 調(diào)用file_pointer的close方法真正清除

retval = filp_close(filp,files);

}

我們看到最終是調(diào)用的filp_close方法:

緊接著我們進入fput:

同一個file(socket)有多個引用的情況很常見，例如下面的例子:

所以在多進程的socket服務器編寫過程中，父進程也需要close(fd)一次，以免socket無法最終關閉

然后就是_fput函數(shù)了:

由于我們討論的是socket的close,所以，我們現(xiàn)在探查下file->f_op->release在socket情況下的實現(xiàn):

f_op->release的賦值

我們跟蹤創(chuàng)建socket的代碼，即

socket_file_ops的實現(xiàn)為:

staticconststructfile_operations socket_file_ops = {

.owner = THIS_MODULE,

......

// 我們在這里只考慮sock_close

.release = sock_close,

......

};

繼續(xù)跟蹤:

在上一篇博客中，我們知道sock->ops為下圖所示:

即(在這里我們僅考慮tcp,即sk_prot=tcp_prot):

關于fd與socket的關系如下圖所示:

上圖中紅色線標注的是close(fd)的調(diào)用鏈

tcp_close

四次揮手

現(xiàn)在就是我們的四次揮手環(huán)節(jié)了，其中上半段的兩次揮手下圖所示:

首先，在tcp_close_state(sk)中已經(jīng)將狀態(tài)設置為fin_wait1,并調(diào)用tcp_send_fin

voidtcp_send_fin(structsock *sk)

{

......

// 這邊設置flags為ack和fin

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

......

// 發(fā)送fin包，同時關閉nagle

__tcp_push_pending_frames(sk,mss_now,TCP_NAGLE_OFF);

}

如上圖Step1所示。 接著，主動關閉的這一端等待對端的ACK，如果ACK回來了，就設置TCP狀態(tài)為FIN_WAIT2,如上圖Step2所示,具體代碼如下:

值的注意的是，從TCP_FIN_WAIT1變遷到TCP_FIN_WAIT2之后，還調(diào)用tcp_time_wait設置一個TCP_FIN_WAIT2定時器，在tmo+(2MSL或者基于RTO計算超時)超時后會直接變遷到closed狀態(tài)(不過此時已經(jīng)是inet_timewait_sock了）。這個超時時間可以配置,如果是ipv4的話,則可以按照下列配置:

net.ipv4.tcp_fin_timeout

/sbin/sysctl -wnet.ipv4.tcp_fin_timeout=30

如下圖所示:

有這樣一步的原因是防止對端由于種種原因始終沒有發(fā)送fin,防止一直處于FIN_WAIT2狀態(tài)。

接著在FIN_WAIT2狀態(tài)等待對端的FIN，完成后面兩次揮手:

由Step1和Step2將狀態(tài)置為了FIN_WAIT_2，然后接收到對端發(fā)送的FIN之后,將會將狀態(tài)設置為time_wait,如下代碼所示:

time_wait狀態(tài)時，原socket會被destroy,然后新創(chuàng)建一個inet_timewait_sock,這樣就能及時的將原socket使用的資源回收。而inet_timewait_sock被掛入一個bucket中，由 inet_twdr_twcal_tick定時從bucket中將超過(2MSL或者基于RTO計算的時間)的time_wait的實例刪除。 我們來看下tcp_time_wait函數(shù)

voidtcp_time_wait(structsock *sk,intstate,inttimeo)

{

// 建立inet_timewait_sock

tw = inet_twsk_alloc(sk,state);

// 放到bucket的具體位置等待定時器刪除

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

// 設置sk狀態(tài)為TCP_CLOSE,然后回收sk資源

tcp_done(sk);

}

具體的定時器操作函數(shù)為inet_twdr_twcal_tick,這邊就不做描述了

被動關閉

close_wait

在tcp的socket時候，如果是established狀態(tài)，接收到了對端的FIN,則是被動關閉狀態(tài),會進入close_wait狀態(tài),如下圖Step1所示:

具體代碼如下所示:

我們再看下tcp_fin

這邊有意思的點是，收到對端的fin之后并不會立即發(fā)送ack告知對端收到了，而是等有數(shù)據(jù)攜帶一塊發(fā)送,或者等攜帶重傳定時器到期后發(fā)送ack。

如果對端關閉了，應用端在read的時候得到的返回值是0,此時就應該手動調(diào)用close去關閉連接

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

close(sockfd)

}

我們看下recv是怎么處理fin包，從而返回0的,上一篇博客可知，recv最后調(diào)用tcp_rcvmsg,由于比較復雜，我們分兩段來看:

tcp_recvmsg第一段

上面代碼的處理過程如下圖所示:

我們看下tcp_recmsg的第二段:

由上面代碼可知，一旦當前skb讀完了而且攜帶有fin標識，則不管有沒有讀到用戶期望的字節(jié)數(shù)量都會返回已讀到的字節(jié)數(shù)。下一次再讀取的時候則在剛才描述的tcp_rcvmsg上半段直接不讀取任何數(shù)據(jù)再跳轉(zhuǎn)到found_fin_ok并返回0。這樣應用就能感知到對端已經(jīng)關閉了。 如下圖所示:

last_ack

應用層在發(fā)現(xiàn)對端關閉之后已經(jīng)是close_wait狀態(tài)，這時候再調(diào)用close的話，會將狀態(tài)改為last_ack狀態(tài)，并發(fā)送本端的fin,如下代碼所示:

在接收到主動關閉端的last_ack之后，則調(diào)用tcp_done(sk)設置sk為tcp_closed狀態(tài)，并回收sk的資源,如下代碼所示:

上述代碼就是被動關閉端的后兩次揮手了,如下圖所示:

出現(xiàn)大量close_wait的情況

linux中出現(xiàn)大量close_wait的情況一般是應用在檢測到對端fin時沒有及時close當前連接。有一種可能如下圖所示:

當出現(xiàn)這種情況，通常是minIdle之類參數(shù)的配置不對(如果連接池有定時收縮連接功能的話)。給連接池加上心跳也可以解決這種問題。

如果應用close的時間過晚，對端已經(jīng)將連接給銷毀。則應用發(fā)送給fin給對端，對端會由于找不到對應的連接而發(fā)送一個RST(Reset)報文。

操作系統(tǒng)何時回收close_wait

如果應用遲遲沒有調(diào)用close_wait,那么操作系統(tǒng)有沒有一個回收機制呢，答案是有的。 tcp本身有一個包活(keep alive)定時器，在(keep alive)定時器超時之后，會強行將此連接關閉?？梢栽O置tcp keep alive的時間

/etc/sysctl.conf

net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75

net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9

net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200

默認值如上面所示，設置的很大，7200s后超時，如果想快速回收close_wait可以設置小一點。但最終解決方案還是得從應用程序著手。

關于tcp keepalive包活定時器可見筆者另一篇博客:

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

進程關閉時清理socket資源

進程在退出時候(無論kill,kill -9 或是正常退出)都會關閉當前進程中所有的fd(文件描述符)

這樣我們又回到了博客伊始的filp_close函數(shù)，對每一個是socket的fd發(fā)送send_fin

Java GC時清理socket資源

Java的socket最終關聯(lián)到AbstractPlainSocketImpl,且其重寫了object的finalize方法

所以Java會在GC時刻會關閉沒有被引用的socket,但是切記不要寄希望于Java的GC,因為GC時刻并不是以未引用的socket數(shù)量來判斷的，所以有可能泄露了一堆socket,但仍舊沒有觸發(fā)GC。

總結

linux內(nèi)核源代碼博大精深，閱讀其代碼很費周折。之前讀《TCP/IP詳解卷二》的時候由于有先輩引導和梳理，所以看書中所使用的BSD源碼并不覺得十分費勁。直到現(xiàn)在自己帶著問題獨立看linux源碼的時候，盡管有之前的基礎，仍舊被其中的各種細節(jié)所迷惑。希望筆者這篇文章能幫助到閱讀linux網(wǎng)絡協(xié)議棧代碼的人。