LinuxTCP shutdown和close系统调用

作者：henrystark [email protected]
Blog: http://henrystark.blog.chinaunix.net/
日期：20140419
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LinuxTCP shutdown和close系统调用

0.写作目的

面试时被问及系统调用如何实现，这个问题不好说。往深处说，牵涉到NR……等中断向量的实现【引 3】；往浅了说，就是系统提供的接口在内核代码如何实现。我最开始说了printf和write系统调用的关系，说到一半接不下去了【注 1】。于是该说shutdown和close两个系统调用。

1.引言

socket网络编程中，常用这两个系统调用，最主要的区别是：shutdown强制关闭套接字，close只将引用计数减一。

2.功能和代码

2.1 shutdown

准确的定义见【引 1】。该函数有三种关闭方式：单独关闭读（写）、同时关闭读写。shutdown处理过程调用序列见【引 2】。shutdown不管引用计数，会直接关闭套接口。源码如下：

linux/net/ipv4/tcp.c
/*
*   Shutdown the sending side of a connection. Much like close except
*   that we don't receive shut down or sock_set_flag(sk, SOCK_DEAD).
*/

void tcp_shutdown(struct sock *sk, int how)
{
    /*  We need to grab some memory, and put together a FIN,
     *  and then put it into the queue to be sent.
     *      Tim MacKenzie([email protected]) 4 Dec '92.
     */
    if (!(how & SEND_SHUTDOWN))
        return;

    /* If we've already sent a FIN, or it's a closed state, skip this. */
    if ((1 << sk->sk_state) &
        (TCPF_ESTABLISHED | TCPF_SYN_SENT |
         TCPF_SYN_RECV | TCPF_CLOSE_WAIT)) {
        /* Clear out any half completed packets.  FIN if needed. */
        if (tcp_close_state(sk))
            tcp_send_fin(sk);
    }
}

从注释中可以看到，这个函数主要负责关闭套接口的读端。注意，这里为了处理用位与的方式来判断是否是关闭读端，how变量已经经过了处理，见shutdown系统调用在套接口层的实现inet_shutdown。

linux/net/ipv4/af_inet.c
int inet_shutdown(struct socket *sock, int how)
{
    struct sock *sk = sock->sk;
    int err = 0;

    /* This should really check to make sure
     * the socket is a TCP socket. (WHY AC...)
     */
    how++; /* maps 0->1 has the advantage of making bit 1 rcvs and
               1->2 bit 2 snds.
               2->3 */
    if ((how & ~SHUTDOWN_MASK) || !how) /* MAXINT->0 */
        return -EINVAL;
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

linux/include/net/sock.h
#define SHUTDOWN_MASK   3
#define RCV_SHUTDOWN    1
#define SEND_SHUTDOWN   2  

问题是，读端怎么关闭？实际上，shutdown导致进程丢弃没有读取的或者后续到达的数据。这会在其他tcp接收函数中做处理，如tcp_poll、tcp_recvmsg等。

2.2 close

close系统调用的减引用计数操作主要由release函数完成，该函数最后调用close函数处理数据并发送fin。

linux/net/ipv4/af_inet.c
int inet_release(struct socket *sock)
{
    struct sock *sk = sock->sk;

    if (sk) {
        long timeout;
        //以下两个函数实现引用计数-1
        sock_rps_reset_flow(sk);    

        /* Applications forget to leave groups before exiting */
        ip_mc_drop_socket(sk);

        /* If linger is set, we don't return until the close
         * is complete.  Otherwise we return immediately. The
         * actually closing is done the same either way.
         *
         * If the close is due to the process exiting, we never
         * linger..
         */
        timeout = 0;
        if (sock_flag(sk, SOCK_LINGER) &&
            !(current->flags & PF_EXITING))
            timeout = sk->sk_lingertime;
        sock->sk = NULL;
        sk->sk_prot->close(sk, timeout);        //这里调用tcp_close()
    }
    return 0;
}  

linux/net/ipv4/tcp.c    
void tcp_close(struct sock *sk, long timeout)
{
    ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
    if (data_was_unread) {
        /* Unread data was tossed, zap the connection. */
        NET_INC_STATS_USER(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONCLOSE);
        tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
        tcp_send_active_reset(sk, sk->sk_allocation);
    } else if (sock_flag(sk, SOCK_LINGER) && !sk->sk_lingertime) {
        /* Check zero linger _after_ checking for unread data. */
        sk->sk_prot->disconnect(sk, 0);
        NET_INC_STATS_USER(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONDATA);
    } else if (tcp_close_state(sk)) {
        tcp_send_fin(sk);   //这里发送fin
    }

    sk_stream_wait_close(sk, timeout);

adjudge_to_death:
    state = sk->sk_state;
    sock_hold(sk);
    sock_orphan(sk);

    /* It is the last release_sock in its life. It will remove backlog. */
    release_sock(sk);
    ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
}

可以看到，shutdown和close两个系统调用最后都使用了send_fin函数来终止连接。

3.系统调用的实现机制

【引 3】中有系统调用的详细实现机制。在内核中定义系统调用编号，应用程序用软中断通知系统切换到内核态，传递参数。

引用：
【1】shutdown函数说明。http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/007908799/xns/shutdown.html。
【2】shutdown调用序列，形参定义稍有不同。http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-tcpsystemcalls/#shutdown。
【3】系统调用如何实现。http://blog.chinaunix.net/uid-20321537-id-1966859.html.

注解：
【1】printf是库函数，write是系统调用，关于系统调用和库函数的区别，也很复杂，【引 3】中讲了一部分，关于printf的实现细节参见http://blog.csdn.net/dog250/article/details/23000909。