LinuxTCP shutdown和close系統調用

作者：henrystark [email protected]
Blog: http://henrystark.blog.chinaunix.net/
日期：20140419
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LinuxTCP shutdown和close系統調用

0.寫作目的

面試時被問及系統調用如何實現，這個問題不好說。往深處說，牽涉到NR……等中斷向量的實現【引 3】；往淺了說，就是系統提供的接口在內核代碼如何實現。我最開始說了printf和write系統調用的關係，說到一半接不下去了【注 1】。於是該說shutdown和close兩個系統調用。

1.引言

socket網絡編程中，常用這兩個系統調用，最主要的區別是：shutdown強制關閉套接字，close只將引用計數減一。

2.功能和代碼

2.1 shutdown

準確的定義見【引 1】。該函數有三種關閉方式：單獨關閉讀（寫）、同時關閉讀寫。shutdown處理過程調用序列見【引 2】。shutdown不管引用計數，會直接關閉套接口。源碼如下：

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);
    }
}

從註釋中可以看到，這個函數主要負責關閉套接口的讀端。注意，這裏爲了處理用位與的方式來判斷是否是關閉讀端，how變量已經經過了處理，見shutdown系統調用在套接口層的實現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  

問題是，讀端怎麼關閉？實際上，shutdown導致進程丟棄沒有讀取的或者後續到達的數據。這會在其他tcp接收函數中做處理，如tcp_poll、tcp_recvmsg等。

2.2 close

close系統調用的減引用計數操作主要由release函數完成，該函數最後調用close函數處理數據併發送fin。

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

    if (sk) {
        long timeout;
        //以下兩個函數實現引用計數-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);        //這裏調用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);   //這裏發送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兩個系統調用最後都使用了send_fin函數來終止連接。

3.系統調用的實現機制

【引 3】中有系統調用的詳細實現機制。在內核中定義系統調用編號，應用程序用軟中斷通知系統切換到內核態，傳遞參數。

引用：
【1】shutdown函數說明。http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/007908799/xns/shutdown.html。
【2】shutdown調用序列，形參定義稍有不同。http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-tcpsystemcalls/#shutdown。
【3】系統調用如何實現。http://blog.chinaunix.net/uid-20321537-id-1966859.html.

註解：
【1】printf是庫函數，write是系統調用，關於系統調用和庫函數的區別，也很複雜，【引 3】中講了一部分，關於printf的實現細節參見http://blog.csdn.net/dog250/article/details/23000909。