TCP/IP网络编程之优雅地断开套接字

基于TCP套接字的半关闭

Linux的close函数和Windows的closesocket函数意味着完全断开连接，完全断开连接不仅指无法传输数据，而且也不能接收数据。因此，在某些情况下，通信一方调用close或closesocket函数断开连接就显得不太优雅，如图1-1

图1-1   单方面断开连接

图1-1描述的是两台主机正在进行双向通信，主机A发送完最后的数据后，调用close函数断开连接，之后主机A无法再接收主机B传输的数据。实际上，是完全无法调用与接收数据相关的函数。最终，由主机B传输而主机A接收的数据也销毁了

为了解决这类问题，“只关闭一部分数据交换中使用的流”（Half-close）的方法应运而生，断开一部分是指，可以传输数据但无法接收，或可以接收数据但无法传输，顾名思义就是只关闭流的一般

套接字和流（Stream）

两台主机通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，又称“流形成的状态”，也就是把建立套接字后可交换数据的状态看作一种流。此处的流可以比作水流，水朝着一个方向移动。同样，在套接字的流中，数据也只能向一个方向移动。因此，为了进行双方通信，需要如图1-2所示的两个流

图1-2   套接字中生成的两个流

一旦两台主机建立了套接字连接，每个主机就会拥有单独的输入流和输出流。当然，若有主机A和B，主机A的输入流与主机B的输出流相连，而主机A的输出流则与主机B的输入流相连。本章讨论的“优雅地断开连接方式”只断开其中一个流，而非同时断开两个流，Linux的close函数和Windows的closesocket函数将同时断开两个流，因此与“优雅”二字还有一段距离

shutdown函数

 shutdown函数就是用于半关闭流的函数 

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sock, int howto);//成功时返回0，失败时返回-1

　　

• sock：需要断开的套接字文件描述符
• howto：传递断开方式信息

调用上述函数时，第二个参数决定断开连接的方式，其可能值如下：

• SHUT_RD：断开输入流
• SHUT_WR：断开输出流
• SHUT_RDWR：同时断开I/O流

若向shutdown的第二个参数传递SHUT_RD，则断开输入流，套接字无法接收数据。即使输入缓冲收到数据也会抹去，而且无法调用输入相关函数；若向shutdown函数的第二个参数传递SHUT_WR，则中断输出流，也就无法传输数据，但如果输出缓冲还留有未传输的数据，则将传至目标主机。最后，若传入SHUT_RDWR，则同时断开I/O流，这相当于分两次调用shutdown，其中一次以SHUT_RD为参数，另一次以SHUT_WR为参数

为何需要半关闭？如果保持足够长的时间间隔，完成数据交换后再断开连接，这时就没必要使用半关闭。但要是考虑一种情况：客户端连接到服务端，服务端将约定的文件传给客户端，客户端收到后发送字符串“Thank you”给服务端。此处的“Thank you”的传递是多余的，只是用来模拟客户端断开连接时还有数据要传输的情况。实现此程序的难度并不小，因为传输文件的服务端只需连续传输数据即可，而客户端无法知道需要接收数据到何时。客户端也没办法无休止地调用输入函数，因为可能导致程序阻塞（调用的函数未返回）

那么，是否可以让服务端和客户端约定一个代表文件尾的字符？这种方式也有问题，因为这意味着文件中不能有与约定字符相同的内容。为解决该问题，服务端最后应向客户端传输EOF表示文件传输结束。客户端通过函数返回值接收EOF，这样就可以避免与文件内容的冲突。最后就剩一个问题，服务端如何传递EOF？断开输出流时向对方主机传输EOF

当然，调用close函数的同时关闭I/O流，这样也会向对方发送EOF。但此时无法再接收对方的传输数据，换言之，若调用close函数关闭流，就无法接收客户端最后发送的字符“Thank you”。这时需要调用shutdown函数，只关闭服务端的输出流（半关闭）。这样既可以发送EOF，同时又能保住输入流，可以接收客户端的数据

基于半关闭的文件传输程序

上述文件传输服务端/客户端的数据流如图1-3：

图1-3   文件传输数据流程图

file_server.c 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sd, clnt_sd;
    FILE *fp;
    char buf[BUF_SIZE];
    int read_cnt;

    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;

    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage:%s<port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    fp = fopen("file_server.c", "rb");
    serv_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    bind(serv_sd, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
    listen(serv_sd, 5);

    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    clnt_sd = accept(serv_sd, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
    while (1)
    {
        read_cnt = fread((void *)buf, 1, BUF_SIZE, fp);
        if (read_cnt < BUF_SIZE)
        {
            write(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
            break;
        }
        write(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
    }
    
    shutdown(clnt_sd, SHUT_WR);
    read(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
    printf("Message from client:%s\n", buf);

    fclose(fp);
    close(clnt_sd);
    close(serv_sd);
    return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

　　　　

• 第27行：打开文件以向客户端传输服务端源文件file_server.c 
• 第40~49行：为向客户端传输文件数据而编写的循环语句，此客户端是在第39行的accept函数调用中连接的
• 第51行：发送文件后针对输出流进行半关闭，这样就向客户端传输了EOF，而客户端也知道文件传输完成
• 第52行：只关闭了输出流，依然可以通过输入流接收数据

file_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sd;
    FILE *fp;

    char buf[BUF_SIZE];
    int read_cnt;
    struct sockaddr_in serv_adr;
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage:%s<port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    fp = fopen("receive.dat", "wb");
    sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    connect(sd, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));

    while ((read_cnt = read(sd, buf, BUF_SIZE)) != 0)
        fwrite((void *)buf, 1, read_cnt, fp);

    puts("Received file data");
    write(sd, "Thank you", 10);
    fclose(fp);
    close(sd);
    return 0;
}
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

　　

• 第24行：创建新文件以保存服务端传输的文件数据
• 第34、35行：接收数据并保存到第24行创建的文件，直到接收EOF为止
• 第38行：接收完服务端传输的数据后，向服务端传输数据，若服务端未关闭流入流，则可接收此消息

下面书上述示例的运行结果，运行后查看客户端的receive.dat文件，可以验证数据正常接收：

编译file_server.c并运行

# gcc file_server.c -o file_server
# ./file_server 8500
Message from client:Thank you

　　

 编译file_client.c并运行

# gcc file_client.c -o file_client
# ./file_client 127.0.0.1 8500
Received file data