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linux 網絡編程 socket選項的實現

socket選項函數

功能：用來讀取和設置socket文件描述符屬性的方法

#include <sys/scoket.h>
int getsockopt ( int sockfd, int level, int option_name, void* option_value, socklen_t* restrict option_len );
int setsockopt ( int sockfd, int level, int option_name, const void* option_value, socklen_t option_len);

socket選項表如下：

getsockopt和setsockopt 這兩個函數成功時返回0，失敗時返回-1并設置errno。

對于服務器而言，有部分socket選項只能在調用listen系統調用前針對監聽socket設置才有效。這是因為連接socket只能由accept調用返回，而accept從listen監聽隊列接受的連接至少已經完成了TCP三次握手的前兩個步驟（因為listen監聽隊列中的連接至少已進入SYN_RCVD狀態），這說明服務器已經往被接收連接上發送出了TCP同步報文段。但有的socket選項卻應該在TCP同步報文段中設置，比如TCP最大報文段選項。對這種情況，linux給開發人員提供的解決方案是：對監聽socket設置這些socket選項，那么accept返回的連接socket將自動繼承這些選項。這些選項包括：SO_DEBUG、SO_DONTROUTE、SO_KEEPALIVE、SO_LINGER、SO_OOBINLINE、SO_RCVBUF、SO_RCVLOWAT、SO_SNDBUF、SO_SNDLOWAT、TCP_MAXSEG和TCP_NODELAY。

對于客戶端而言，這些socket選項則應該在調用connect函數之前設置，因為connect調用成功返回之后，TCP三次握手已完成。

SO_REUSEADDR選項

前面討論過TCP連接的TIME_WAIT狀態，并提到服務器程序可以通過設置socket選項SO_REUSEADDR來強制使用被處于TIME_WAIT狀態的連接占用的socket地址。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
 
int main( int argc, char* argv[] )
{
  if( argc <= 2 )
  {
    printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
    return 1;
  }
  const char* ip = argv[1];
  int port = atoi( argv[2] );
 
  int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
  assert( sock >= 0 );
  int reuse = 1;
  setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof( reuse ) );
 
  struct sockaddr_in address;
  bzero( &address, sizeof( address ) );
  address.sin_family = AF_INET;
  inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
  address.sin_port = htons( port );
  int ret = bind( sock, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
  assert( ret != -1 );
 
  ret = listen( sock, 5 );
  assert( ret != -1 );
 
  struct sockaddr_in client;
  socklen_t client_addrlength = sizeof( client );
  int connfd = accept( sock, ( struct sockaddr* )&client, &client_addrlength );
  if ( connfd < 0 )
  {
    printf( "errno is: %d\n", errno );
  }
  else
  {
    char remote[INET_ADDRSTRLEN ];
    printf( "connected with ip: %s and port: %d\n", 
      inet_ntop( AF_INET, &client.sin_addr, remote, INET_ADDRSTRLEN ), ntohs( client.sin_port ) );
    close( connfd );
  }
 
  close( sock );
  return 0;
}

經過setsocketopt的設置之后，即使sock處于TIME_WAIT狀態，與之綁定的socket地址也可以立即被重用。此外，我們也可以通過修改內核參數/proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_recycle 來快速回收被關閉的socket，從而使得TCP連接根本就不進入TIME_WAIT狀態，進而允許應用程序立即重用本地的socket地址。

SO_RCVBUF和SO_SNDBUF選項

SO_RCVBUF和SO_SNDBUF選項分別表示TCP接收緩沖區和發送緩沖區的大小。不過，當我們用setsockopt來設置TCP的接收緩沖區和發送緩沖區的大小時，系統都會將其值加倍，并且不得小于其個最小值。TCP接收緩沖區的最小值是256字節，而發送緩沖區的最小值是2048字節（不過，不同的系統可能有不同的默認最小值）。此外，我們可以直接修改內核參數/proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem和/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem來強制TCP接收緩沖區和發送緩沖區的大小沒有最小值限制。

修改TCP發送緩沖區的客戶端程序：

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
 
#define BUFFER_SIZE 512
 
int main( int argc, char* argv[] )
{
  if( argc <= 3 )
  {
    printf( "usage: %s ip_address port_number send_bufer_size\n", basename( argv[0] ) );
    return 1;
  }
  const char* ip = argv[1];
  int port = atoi( argv[2] );
 
  struct sockaddr_in server_address;
  bzero( &server_address, sizeof( server_address ) );
  server_address.sin_family = AF_INET;
  inet_pton( AF_INET, ip, &server_address.sin_addr );
  server_address.sin_port = htons( port );
 
  int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
  assert( sock >= 0 );
 
  int sendbuf = atoi( argv[3] );
  int len = sizeof( sendbuf );
  setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sendbuf, sizeof( sendbuf ) );
  getsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sendbuf, ( socklen_t* )&len );
  printf( "the tcp send buffer size after setting is %d\n", sendbuf );
 
  if ( connect( sock, ( struct sockaddr* )&server_address, sizeof( server_address ) ) != -1 )
  {
    char buffer[ BUFFER_SIZE ];
    memset( buffer, 'a', BUFFER_SIZE );
    send( sock, buffer, BUFFER_SIZE, 0 );
  }
 
  close( sock );
  return 0;
}

修改TCP接收緩沖區的服務器程序：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
 
#define BUFFER_SIZE 1024
 
int main( int argc, char* argv[] )
{
  if( argc <= 3 )
  {
    printf( "usage: %s ip_address port_number receive_buffer_size\n", basename( argv[0] ) );
    return 1;
  }
  const char* ip = argv[1];
  int port = atoi( argv[2] );
 
  struct sockaddr_in address;
  bzero( &address, sizeof( address ) );
  address.sin_family = AF_INET;
  inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
  address.sin_port = htons( port );
 
  int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
  assert( sock >= 0 );
  int recvbuf = atoi( argv[3] );
  int len = sizeof( recvbuf );
  setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvbuf, sizeof( recvbuf ) );
  getsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvbuf, ( socklen_t* )&len );
  printf( "the receive buffer size after settting is %d\n", recvbuf );
 
  int ret = bind( sock, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
  assert( ret != -1 );
 
  ret = listen( sock, 5 );
  assert( ret != -1 );
 
  struct sockaddr_in client;
  socklen_t client_addrlength = sizeof( client );
  int connfd = accept( sock, ( struct sockaddr* )&client, &client_addrlength );
  if ( connfd < 0 )
  {
    printf( "errno is: %d\n", errno );
  }
  else
  {
    char buffer[ BUFFER_SIZE ];
    memset( buffer, '\0', BUFFER_SIZE );
    while( recv( connfd, buffer, BUFFER_SIZE-1, 0 ) > 0 ){}
    close( connfd );
  }
 
  close( sock );
  return 0;
}

運行結果：

root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test/socket# ./client 127.0.0.1 12345 2000
the tcp send buffer size after setting is 4608

root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test/socket# ./server 127.0.0.1 12345 50
the receive buffer size after settting is 2304

如上說明：當我們用setsockopt來設置TCP的接收緩沖區和發送緩沖區的大小時，系統都會將其值加倍，并且不得小于其個最小值。

SO_RCVLOWAT和SO_SNDLOWAT選項

SO_RCVLOWAT和SO_SNDLOWAT選項分別表示TCP接收緩沖區和發送緩沖區的低水位標記。它們一般被I/O復用系統調用，用來判斷socket是否可讀或可寫。當TCP接收緩沖區中可讀數據的總數大于其低水位標記時，I/O復用系統調用將通知應用程序可以從對應的socket上讀取數據；當TCP發送緩沖區中的空閑空間（可以寫入數據的空間）大于其低水位標記時，I/O復用系統調用將通知應用程序可以往對應的socket上寫入數據。
默認情況下，TCP接收緩沖區的低水位標記和TCP發送緩沖區的低水位標記均為1字節。

SO_LINGER選項

SO_LINGER選項用于控制close系統調用在關閉TCP連接時的行為。默認情況下，當我們使用close系統調用來關閉一個socket時，close將立即返回，TCP模塊負責把該socket對應的TCP發送緩沖區中殘留的數據發送給對方。

設置SO_LINGER選項的值時，我們需要給setsockopt（getsockopt）系統調用傳遞一個linger類型的結構體，其定義如下：

#include <sys/socket.h>
struct linger
{
  int l_onoff; //開啟（非0）還是關閉（0）該選項
  int l_linger; // 滯留時間
};

根據linger結構體中兩個成員變量的不同值，close 系統調用可能產生如下3種行為之一：
l_onoff 等于0。此時SO_LINGER選項不起作用，close用默認行為關閉socket。
l_onoff 不為0，l_linger等于0. 此時close 系統調用立即返回，TCP模塊將丟棄被關閉的socket對應的TCP發送緩沖區中殘留的數據，同時給對方一個復位報文段。因此，這種情況給服務器提供了異常終止一個連接的方法。l_onoff不為0，l_linger大于0 。此時close的行為取決于兩個條件：（1）被關閉的socket對應的TCP發送緩沖區中是否還有殘留的數據；（2）該socket是阻塞的還是非阻塞的。對于阻塞的socket，close將等待一段長為l_linger的時間，直到TCP模塊發送完所有殘留數據并得到對方的確認。如果這段之間內TCP模塊沒有發送完殘留數據并得到對方的確認，那么close系統調用將返回-1并設置errno為EWOULDBLOCK。如果socket是非阻塞的，close將立即返回，此時我們需要根據其返回值和errno來判斷殘留數據是否已經發送完畢。

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