SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT区别

内容来源于StackOverflow的精彩回答，StackOverflow.

以BSD系统为例。
首先，一个TCP/UDP连接(Connection)的id，就是由下面五个值组成元组。

{, , , , }

任何合法的五个值的组合都可以定义一个连接，同时，没有任何两个连接具有完全相同的元组。

第一个值protocol是在socket()设定的，src addr和src port是在bind()的时候设定的，dest addr和dest port是在connect()的时候设定的。虽然UDP是一个无连接协议，并不需要connect()，但是在第一次发送数据的时候，UDP connection还是被系统非显式地绑定到了dest addr / port上。

当绑定ip的时候，可以通过绑定到0.0.0.0: port来绑定到所有本地网络地址的对应端口上，也可以绑定到192.168.0.100: port来绑定到特定本地网络地址(回环)的特定端口。

在默认设置下，没有socket能够绑定到同一地址的同一端口。比如在Socket A已经绑定了0.0.0.0:8000以后，Socket B若是想要绑定192.168.0.100:8000，那就会报EADDRINUSE。因为Socket A已经绑定了所有ip地址的8000端口，包括192.168.0.100:8000。

SO_REUSEADDR

作用一

在为Socket B设置了SO_REUSEADDR以后，判断冲突的方式就变了。只要地址不是正好(exactly)相同，那么多个Socket就能绑定到同一ip上。比如0.0.0.0和192.168.0.100，虽然逻辑意义上前者包含了后者，但是0.0.0.0泛指所有本地ip，而192.168.0.100特指某一ip，两者并不是完全相同，所以Socket B尝试绑定的时候，不会再报EADDRINUSE，而是绑定成功。
下面是测试不同设置下的绑定情况:

SO_REUSEADDR	socketA	socketB	Result
ON/OFF	192.168.0.1:21	192.168.0.1:21	Error (EADDRINUSE)
ON/OFF	192.168.0.1:21	10.0.0.1:21	OK
ON/OFF	10.0.0.1:21	192.168.0.1:21	OK
OFF	0.0.0.0:21	192.168.1.0:21	Error (EADDRINUSE)
OFF	192.168.1.0:21	0.0.0.0:21	Error (EADDRINUSE)
ON	0.0.0.0:21	192.168.1.0:21	OK
ON	192.168.1.0:21	0.0.0.0:21	OK
ON/OFF	0.0.0.0:21	0.0.0.0:21	Error (EADDRINUSE)

可以看到，如果想绑定addr字符串完全相同的ip，那么无论SO_REUSEADDR设置与否，都会报地址已使用。但是在设置了SO_REUSEADDR以后，就可以同时绑定0.0.0.0和192.168.1.0两个地址了。

作用二

SO_REUSEADDR的另一个作用是，可以绑定TIME_WAIT状态的地址。

TCP Socket的send()是一个异步调用，当数据送入socket send buffer以后就会返回。也就是说，在send()返回以后，数据仍然需要经历漫长的tcp拥塞控制冲突避免等过程，才能被成功发送。在没有TIME_WAIT状态的前提下，假如这个时候上层程序判断通信完成，关闭了socket，那么缓冲区的数据就会丢失。所以TIME_WAIT这个状态就被用来保证，socket能够续命到buffer中的数据能够全部发送完成或者超时。

TIME_WAIT的时间，也就是超时的时间取决于一个配置项Linger Time。在大多数系统中，他是非常长的2分钟。这意味着两分钟内，socket对应的地址端口是被占用的，无法重新绑定。

一个非常现实的问题是，假如一个systemd托管的service异常退出了，留下了TIME_WAIT状态的socket，那么systemd将会尝试重启这个service。但是因为端口被占用，会导致启动失败，造成两分钟的服务空档期，systemd也可能在这期间放弃重启服务。

但是在设置了SO_REUSEADDR以后，处于TIME_WAIT状态的地址也可以被绑定，就杜绝了这个问题。因为TIME_WAIT其实本身就是半死状态，虽然这样重用TIME_WAIT可能会造成不可预料的副作用，但是在现实中问题很少发生，所以也忽略了它的副作用。

另外，上文中所有SO_REUSEADDR的生效，只需要在后绑定的socket中设置SO_REUSEADDR即可，并没有强制要求以前绑定的socket也设置这一个选项才能完成共享。

SO_REUSEPORT

SO_REUSEPORT干的其实是大众期望SO_REUSEADDR能够干的事，将多个socket绑定到同一ip和端口。并且它要求所有绑定同一ip/port的socket都设置了SO_REUSEPORT。不过可能有的操作系统并没有这个option。

Connect() 返回 EADDRINUSE 问题

在默认情况下，一般在bind()时可能会出现EADDRINUSE问题，connect()时因为src ip和src port已经不同，不可能报EADDRINUSE。但是在SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT下，因为地址有重用，那么当重用的地址端口尝试连接同一个远端主机的同一端口时，就会报EADDRINUSE。

比如本机只有两个地址，127.0.0.1和192.168.0.1，其中后者是可访问因特网的网卡的地址。在SO_REUSEADDR下，并且Socket A绑定了Socket A0.0.0.0:8000, Socket B绑定了192.168.0.1:8000以后，Socket A发起了与远端主机111.13.101.208:80的连接。此时根据路由表规则，连接将被绑定到192.168.0.1，产生的连接ID为{, <192.168.0.1>, <8000>, <111.13.101.208>, <80>}，Socket A连接成功。但是如果Socket B也想尝试发起与远端主机111.13.101.208:80的连接，就会产生一样的连接ID，所以报了EADDRINUSE。

操作系统的区别

BSD/mac os

没区别

Linux

Linux < 3.9

在Linux 3.9之前，只存在SO_REUSEADDR配置项。他的主要逻辑与BSD相同，但是存在两个意外:

1. Linux在绑定端口上比BSD更加严格，类似于BSD那种同时绑定通配地址和特定地址的行为，在linux中不被允许。比如在Linux中已经绑定了192.168.0.100:8000，那么即使设置了SO_REUSEADDR，也将无法继续绑定0.0.0.0:8000。

2. 另一个区别是，在Linux的client socket(也就是不需要显式绑定端口，不需要listen的socket)，如果设置了SO_REUSEADDR，那么它的作用与BSD中的SO_REUSEPORT完全相同。即Linux允许多个client socket绑定到同一ip的同一端口。这是为了应对需要绑定多个socket到udp地址端口以处理不同的protocol的场景。

Linux >= 3.9

Linux 3.9及之后的版本都添加了SO_REUSEPORT选项，它的工作原理与BSD基本相同，但是依旧多了两个限制:

1. 为了防止端口挟持，只用属于同一有效uid的进程可以通过设置选项来共享ip及端口。

2. 对共享端口的UDP socket而言，内核均匀地分发数据报给每一个socket。而对共享端口的TCP socket而言，内核将均匀地分发连接请求（也就是accept()阶段）。这个特性可以用来作为朴素的负载均衡。

Windows

Windows中没有SO_REUSEPORT选项，SO_REUSEADDR承担了SO_REUSEPORT的功能。另外，设置了SO_REUSEADDR的socket总是能绑定到一个已经被占用的ip端口上，即使先来的socket没有设置SO_REUSEADDR。这是很强的安全风险，所以微软后来新加了一个SO_EXCLUSIVEADDRUS的选项来让程序显式地绑定到ip端口上，这样其他socket即使设置了SO_REUSEPORT也无法重用此端口。
Windows提供了详细的介绍，详见Using SO_REUSEADDR and SO_EXCLUSIVEADDRUSE。