Linux socket 编程中存在的五个隐患
前言：
Socket API
是网络应用程序开发中实际应用的标准 API。尽管该 API 简单，但是
开发新手可能会经历一
些常见的问题。本 文识别一些最常见的隐患并向您显示如何避免它们。 相关文档：《linux socket 编程》
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在 4.2 BSD UNIX® 操作系统中首次引入，Sockets API 现在是任何操作系统的标准特性。事实上，很难找到一种不支持 Sockets API 的现代语言。该 API 相当简单，但新的开发人员仍然会遇到一些常见的隐患。
本文识别那些隐患并向您显示如何避开它们。
隐患 1．忽略返回状态
第一个隐患很明显，但它是开发新手最容易犯的一个错误。如果您忽略函数的返回状态，当它们失败或部分成功的时 候，您也许会迷失。反过来，这可能传播错误，使定位问题的源头变得困难。
捕获并检查每一个返回状态，而不是忽略它们。考虑清单 1 显示的例子，一个套接字 send 函数。
清 单 1. 忽略 API 函数返回状态
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int status, sock, mode;
/* Create a new stream (TCP) socket */
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
...status = send( sock, buffer, buflen, MSG_DONTWAIT );
if (status == -1)
{ /* send failed */
printf( "send failed: %s\n",
？
strerror(errno) );
}
else
{ /* send succeeded -- or did it? */}
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清单 1 探究一个函数片断，它完成套接字 send 操作（通过套接字发送数据）。函数的错误状态被捕获并测试，但这个例子忽略了 send 在无阻塞模式（由 MSG_DONTWAIT 标志启用）下的一个特性。
send API 函数有三类可能的返回值：
- 如果数据成功地排到传输队列，则返回 0。
- 如果排队失败，则返回 -1（通过使用 errno 变量可以了解失败的原因）。
- 如果不是所有的字符都能够在函数调用时排队，则最终的返回值是发送的字符数。
由于 send 的 MSG_DONTWAIT 变量的无阻塞性质，函数调用在发送完所有的数据、一些数据或没有发送任何数据后返回。在这里忽略返回状态将导致不完全的发送和随后的数据丢失。
隐患 2．对等套接字闭包
UNIX
有趣的一面是您几乎可以把任何东西看成是一个文件。文件本身、目录、管道、设备和套接字都被当 作文件。这是新颖的抽象，意味着一整套的 API 可以用在广泛的设备类型上。
考虑 read API 函数，它从文件读取一定数量的字节。read 函数返回读取的字节数（最高为您指定的最大值）；或者 -1，表示错误；或者 0，如果已经到达文件末尾。
如 果在一个套接字上完成一个 read 操作并得到一个为 0 的返回值，这表明远程套接字端的对等层调用了 close API 方法。该指示与文件读取相同 —— 没有多余的数据可以通过描述符读取（参见 清单 2）。
清 单 2．适当处理 read API 函数的返回值
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int sock, status;
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
...status = read( sock, buffer, buflen );
if (status > 0)
{ /* Data read from the socket */}
else if (status == -1)
{
/* Error, check errno, take action... */
}
else if (status == 0)
{
/* Peer closed the socket, finish the close */
close( sock );
/* Further processing... */
}
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同样，可以用 write API 函数来探测对等套接字的闭包。在这种情况下，接收 SIGPIPE 信号，或如果该信号阻塞，write 函数将返回 -1 并设置 errno 为 EPIPE。
隐患 3．地址使用错误（EADDRINUSE）
您可以使用 bind API 函数来绑定一个地址（一个接口和一个端口）到一个套接字端点。可以在服务器设置中使用这个函数，以便限制可能有连接到来的接口。也可以在客户端设置中使用 这个函数，以便限制应当供出去的连接所使用的接口。bind 最常见的用法是关联端口号和服务器，并使用通配符地址（INADDR_ANY），它允许任何接口为到来的连接所使用。
bind 普遍遭遇的问题是试图绑定一个已经在使用的端口。该陷阱是也许没有活动的套接字存在，但仍然禁止绑定端口（bind 返回 EADDRINUSE），它由 TCP 套接字状态 TIME_WAIT 引起。该状态在套接字关闭后约保留 2 到 4 分钟。在 TIME_WAIT 状态退出之后，套接字被删除，该地址才能被重新绑定而不出问题。
等待 TIME_WAIT 结束可能是令人恼火的一件事，特别是如果您正在开发一个套接字服务器，就需要停止服务器来做一些改动，然后重启。幸运的是，有方法可以避开 TIME_WAIT 状态。可以给套接字应用 SO_REUSEADDR 套接字选项，以便端口可以马上重用。
考虑清单 3 的例子。在绑定地址之前，我以 SO_REUSEADDR 选项调用 setsockopt。为了允许地址重用，我设置整型参数（on）为 1 （不然，可以设为 0 来禁止地址重用）。
清 单 3．使用 SO_REUSEADDR 套接字选项避免地址使用错误
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int sock, ret, on;struct sockaddr_in servaddr;
/* Create a new stream (TCP) socket */
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 ):
/* Enable address reuse */
on = 1;
ret = setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
&on, sizeof(on) );
/* Allow connections to port 8080 from any available interface
*/
memset( &servaddr, 0, sizeof(servaddr) );
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl( INADDR_ANY );
servaddr.sin_port = htons( 45000 );
/* Bind to the address (interface/port) */
ret = bind( sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr) );
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在应用了 SO_REUSEADDR 选项之后，bind API 函数将允许地址的立即重用。
隐患 4．发送结构化数据
套接字是发送无结构二进制字节流或 ASCII 数据流（比如 HTTP 上的 HTTP 页面，或 SMTP 上的电子邮件）的完美工具。但是如果试图在一个套接字上发送二进制数据，事情将会变得更加复杂。
比如说，您想要发送一个整数：您可以肯定，接收者将使用同样的方式来解释该整数吗？运行在同一架构上的应用 程序可以依赖它们共同的平台来对该类型的数据做出相同的解释。但是，如果一个运行在高位优先的 IBM PowerPC 上的客户端发送一个 32 位的整数到一个低位优先的 Intel x86，那将会发生什么呢？字节排列将引起不正确的解释。
通过套接字发送一个 C 结构会怎么样呢？这里，也会遇到麻烦，因为不是所有的编译器都以相同的方式排列一个结构的元素。结构也可能被压缩以便使浪费的空间最少，这进一步使结构中 的元素错位。
幸好，有解决这个问题的方案，能够保证两端数据的一致解释。过去，远程过程调用（Remote Procedure Call，RPC）套装工具提供所谓的外部数据表示（External Data Representation，XDR）。XDR 为数据定义一个标准的表示来支持异构网络应用程序通信的开发。
现在，有两个新的协议提供相似的功能。可扩展标记语言/ 远程过程调用（XML/RPC）以 XML 格式安排 HTTP 上的过程调用。数据和元数据用 XML 进行编码并作为字符串传输，并通过主机架构把值和它们的物理表示分开。SOAP 跟随 XML-RPC，以更好的特性和功能扩展了它的思想。参见 参考资料小节，获取更多关于每个协议的信息。
隐患 5．TCP 中的帧同步假定
TCP
不提供帧同步，这使得它对于面向字节流的协议是完美的。 这是 TCP 与 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）的一个重要区别。UDP 是面向消息的协议，它保留发送者和接收者之间的消息边界。TCP 是一个面向流的协议，它假定正在通信的数据是无结构的，如图 1 所示。
图 1．UDP 的帧同步能力和缺乏帧同步的 TCP
图 1 的上部说明一个 UDP 客户端和服务器。左边的对等层完成两个套接字的写操作，每个 100 字节。协议栈的 UDP 层追踪写的数量，并确保当右边的接收者通过套接字获取数据时，它以同样数量的字节到达。换句话说，为读者保留了写者提供的消息边界。
现在，看图 1 的底部．它为 TCP 层演示了相同粒度的写操作。两个独立的写操作（每个 100 字节）写入流套接字。但在本例中，流套接字的读者得到的是 200 字节。协议栈的 TCP 层聚合了两次写操作。这种聚合可以发生在 TCP/IP 协议栈的发送者或接收者中任何一方。重要的是，要注意到聚合也许不会发生 —— TCP 只保证数据的有序发送。
对大多数开发人员来说，该陷阱会引起困惑。您想要获得 TCP 的可靠性和 UDP 的帧同步。除非改用其他的传输协议，比如流传输控制协议（STCP），否则就要求应用层开发人员来实现缓冲和分段功能。
调试套接字应用程序的工具
GNU/Linux
提供几个工具，它们可以帮助您发现套接字应用程序中的一些问题。此外，使用这些工具还有教育意义，而且能够帮助 解释应用程序和 TCP/IP 协议栈的行为。在这里，您将看到对几个工具的概述。查阅下面的 参考资料 了解更多的信息。
查看网络子系统的细节
netstat 工具提供查看 GNU/Linux 网络子系统的能力。使用 netstat，可以查看当前活动的连接（按单个协议进行查看），查看特定状态的连接（比如处于监听状态的服务器套接字）和许多其他的信息。清单 4 显示了 netstat 提供的一些选项和它们启用的特性。
清单 4．netstat 实用程序的用法模式
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View all TCP sockets currently active$ netstat
--tcpView all UDP sockets$ netstat
--udpView all TCP sockets in the listening state$ netstat
--listeningView the multicast group membership information$ netstat
--groupsDisplay the list of masqueraded connections$ netstat
--masqueradeView statistics for each protocol$ netstat
--statistics
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尽管存在许多其他的实用程序，但 netstat 的功能很全面，它覆盖了 route、ifconfig 和其他标准 GNU/Linux 工具的功能。
监视流量
可以使用 GNU/Linux 的几个工具来检查网络上的低层流量。tcpdump 工具是一个比较老的工具，它从网上“嗅探”网络数据包，打印到 stdout 或记录在一个文件中。该功能允许查看应用程序产生的流量和 TCP 生成的低层流控制机制。一个叫做 tcpflow 的新工具与 tcpdump 相辅相成，它提供协议流分析和适当地重构数据流的方法，而不管数据包的顺序或重发。清单 5 显示 tcpdump 的两个用法模式。
清单 5．tcpdump 工具的用法模式
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Display all traffic on the eth0 interface for
the local host$ tcpdump -l -i eth0Show all traffic
on the network coming from or going
to host plato$ tcpdump host platoShow all HTTP traffic
for host camus$ tcpdump host camus and (port http)View
traffic coming from or going
to TCP port 45000 on the local host$ tcpdump tcp port 45000
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tcpdump
和 tcpflow 工具有大量的选项，包括创建复杂过滤表达式的能力。查阅下面的参考资料 获取更多关于这些工具的信息。
tcpdump
和 tcpflow 都是基于文本的命令行工具。如果您更喜欢图形用户界面（GUI），有一个开放源码工具 Ethereal 也许适合您的需要。Ethereal 是一个专业的协议分析软件，它可以帮助调试应用层协议。它的插入式架构（plug-in architecture）可以分解协议，比如 HTTP 和您能想到的任何协议（写本文的时候共有 637 个协议）。
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