浅谈shutdown()和close()的区别

  shutdown()函数可以选择关闭全双工连接的读通道或者写通道，如果两个通道同时关闭，则这个连接不能再继续通信。close()函数会同时关闭全双工连接的读写通道，除了关闭连接外，还会释放套接字占用的文件描述符。而shutdown()只会关闭连接，但是不会释放占用的文件描述符。所以即使使用了SHUT_RDWR类型调用shutdown()关闭连接，也仍然要调用close()来释放连接占用的文件描述符。

1. close()

     close()函数对应的系统调用是sys_close()，在fs/open.c中定义。在sys_close()中，会首先根据文件描述符在进程的打开文件表中查找对应的file结构实例，然后调用filp_close()来关闭文件。关闭操作是在fput()（由filp_close()调用）中进行的，引用数减1后为零，才会调用__fput()来释放文件占用的内存。对套接字来说，__fput()中我们主要关心以下代码：

void __fput( struct file *file)
{
    ......
    if (file - >f_op && file - >f_op - >release)
        file - >f_op - >release(inode, file);
    .....

     dput(dentry);

     ......
}

  file->f_op指向的是文件操作实例，套接字的文件操作由socket_file_ops提供。socket_file_ops属于socket层，socket层是vfs和底层协议栈连接的桥梁，真正的操作还是由协议栈来提供。在这里，file->f_op->release指向sock_close()函数。在socket层下面，接着是协议族，在这个层，不同的传输层协议都会提供自己的操作接口。在协议族层，TCP和UDP协议提供的接口都是inet_release()，这个函数最终会调用到不同的传输层协议提供的close接口。TCP协议提供的是tcp_close()函数，UDP协议提供的是udp_lib_close()。

  tcp_close()中会首先将套接字的sk_shutdown标志设置为SHUTDOWN_MASK，表示双向关闭。然后检查接收缓冲区是否有数据未读(不包括FIN包)，如果有数据未读，协议栈会发送RST包，而不是FIN包。如果套接字设置了SO_LINGER选项，并且lingertime设置为0，这种情况下也会发送RST包来终止连接。其他情况下，会检查套接字的状态，只有在套接字的状态是TCP_ESTABLISHED、TCP_SYN_RECV和TCP_CLOSE_WAIT的状态下，才会发送FIN包。在决定了是否发包以及发送什么类型的包之后，协议栈会进行套接字占用的资源的清理，包括sock结构、缓冲区和错误队列占用的内存等，并进行状态的变更。如果是发送FIN包进行正常关闭，后续会进行四次关闭操作，这个过程是在协议栈中完成的，和用户进程没有关系，用户进程也不能再操作这个套接字。

  udp_lib_close()中只是简单地调用了sk_common_release()函数，sk_common_release()中会调用udp_destroy_sock()来释放发送队列中占用的内存。如果UDP套接字已绑定本地端口，会添加到udp_table哈希表中，所以套接字如果已经被添加到哈希表中，udp_lib_unhash()中会将套接字从哈希表中移除。接下来会调用sock_orphan()解除进程和套接字的关系，然后释放sock结构占用的资源。

  socket结构实例占用的内存，是在dput()调用到的sock_destroy_inode()函数来释放的， sock_destroy_inode()中只是简单地调用kmem_cache_free()释放占用的内存。

2. shutdown()

  shutdown()函数对应的系统调用是sys_shutdown()，在net/socket.c中定义。由于close()不仅可以用于关闭套接字，也可以关闭普通文件、字符设备文件等类型，为了处理不同类型文件的关闭，操作比较复杂。而shutdown()只能用于套接字类型的文件，处理也比较简单。

  sys_shutdown()中首先调用sockfd_lookup_light()来查找描述符对应的socket结构，然后调用套接字对应的协议族层中提供的shutdown接口。UDP和TCP协议提供的接口都是inet_shutdown()函数，主要处理如下所示：

int inet_shutdown( struct socket *sock, int how)
{
    ......
    switch (sk - >sk_state) {
    case TCP_CLOSE :
        err = -ENOTCONN;
        /* Hack to wake up other listeners, who can poll for
           POLLHUP, even on eg. unconnected UDP sockets -- RR */
    default :
        sk - >sk_shutdown |= how;
        if (sk - >sk_prot - >shutdown)
            sk - >sk_prot - >shutdown(sk, how);
        break;

    /* Remaining two branches are temporary solution for missing
     * close() in multithreaded environment. It is _not_ a good idea,
     * but we have no choice until close() is repaired at VFS level.
     */
    case TCP_LISTEN :
        if ( !(how & RCV_SHUTDOWN))
            break;
        /* Fall through */
    case TCP_SYN_SENT :
        err = sk - >sk_prot - >disconnect(sk, O_NONBLOCK);
        sock - >state = err ? SS_DISCONNECTING : SS_UNCONNECTED;
        break;
    }

    /* Wake up anyone sleeping in poll. */
    sk - >sk_state_change(sk);
    ......
}

  在说明代码的处理之前，先来了解一下UDP套接字的状态。UDP的传输是没有状态的，内核中在描述UDP套接字的状态时，借用了TCP的状态。UDP套接字只有两种状态，TCP_CLOSE和TCP_ESTABLISHED。在套接字刚创建时，不管是UDP还是TCP，状态都是TCP_CLOSE。UDP在调用connect()后，状态改变为TCP_ESTABLISHED。

  如果套接字的状态TCP_CLOSE，套接字要么是刚创建的，要么连接已经关闭，所以调用shutdown()是不合适的，此时要返回ENOTCONN错误。

   接下来的代码会处理TCP_LISTEN和TCP_SYN_SENT状态以外的情况。将用户设置的关闭选项设置到套接字的sk_shutdown标志，然后调用传输层协议提供的shutdown接口。TCP协议提供的是tcp_shutdown()函数，而UDP并没有提供任何函数。

  在tcp_shutdown()中，首先检查是否是否关闭了写通道，如果不是，则直接返回。如果关闭了写通道，并且状态是TCP_ESTABLISHED、TCP_SYN_SENT、TCP_SYN_RECV或TCP_CLOSE_WAIT，会调用tcp_close_state()来进行状态的变更。如果变更状态后需要发送FIN包，则调用tcp_send_fin()来发送。

  由于UDP没有TCP_LISTEN和TCP_SYN_SENT状态，所以 sk - > sk_prot - > disconnect只会调用调用tcp_disconnect()函数。如果是套接字状态是TCP_LISTEN状态，并且是关闭读通道，内核会停止套接字的监听状态，释放sock结构占用的资源。如果是TCP_SYN_SENT状态，会发送RST包来终止连接的创建过程，释放sock结构占用的资源。

  最后会调用套接字的sk_state_change接口（通常是 sock_def_wakeup())，通知用户进程状态已经发生改变。

3. 总结

  现在总结一下shutdown()和close()的主要区别：

     1)对应的系统调用不同

     2)shutdown()只能用于套接字文件，close()可以用于所有文件类型

     3)shutdown()只是关闭连接，并没有释放文件描述符，close()可以

     4)shutdown()不能用于TCP_CLOSE状态的套接字，否则会返回 ENOTCONN 错误

     5)shutdown()可以选择关闭读通道或写通道，close()不能。