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linux服务器开发中网络数据分析与故障排查

Linux服务器

一、 操作系统提供的网络接口
为了能更好的排查网络通信问题 ， 我们需要熟悉操作系统提供的以下网络接口函数 ， 列表如下：

linux服务器开发中网络数据分析与故障排查

文章插图
 
注意：这里以bekeley提供的标准为例 ， 不包括特定操作系统上特有的接口函数（如windows平台的WSASend ， linux的accept4） ， 也不包括实际与网络数据来往不相关的函数（如select、linux的epoll） ， 这里只讨论与tcp相关的接口函数 ， 像与udp相关的函数sendto/recvfrom等函数与此类似 。
下面讨论一下以上函数的一些使用注意事项：
1、以上函数如果调用出错后 ， 返回值均为-1；但是返回值是-1 ， 不一定代表出错 ， 这还得根据对应的套接字模式（阻塞与非阻塞模式） 。
2、默认使用的socket函数创建的套接字是阻塞模式的 ， 可以调用相关接口函数将其设置为非阻塞模式（Windows平台可以使用ioctlsocket函数 ， linux平台可以使用fcntl函数 ， 具体设置方法可以参考这里 。） 。阻塞模式和非阻塞模式的套接字 ， 对服务器的连接服务器和网络数据的收发行为影响很大 。详情如下：
阻塞模式下 ， connect函数如果不能立刻连上服务器 ， 会导致执行流阻塞在那里一会儿 ， 直到connect连接成功或失败或网络超时；而非阻塞模式下 ， 无论是否连接成功connect将立即返回 ， 此时如果未连接成功 ， 返回值将是-1 ， 错误码是EINPROGRESS ， 表示连接操作仍然在进行中 。Linux平台后续可以通过使用select/poll等函数检测该socket是否可写来判断连接是否成功 。
阻塞套接字模式下 ， send函数如果由于对端tcp窗口太小 ， 不足以将全部数据发送出去 ， 将阻塞执行流 ， 直到出错或超时或者全部发送出去为止；同理recv函数如果当前协议栈系统缓冲区中无数据可读 ， 也会阻塞执行流 ， 直到出错或者超时或者读取到数据 。send和recv函数的超时时间可以参考下文关于常用socket选项的介绍 。
非阻塞套接字模式下 ， 如果由于对端tcp窗口太小 ， 不足以将数据发出去 ， 它将立刻返回 ， 不会阻塞执行流 ， 此时返回值为-1 ， 错误码是EAGAIN或EWOULDBLOCK ， 表示当前数据发不出去 ， 希望你下次再试 。但是返回值如果是-1 ， 也可能是真正的出错了 ， 也可能得到错误码EINTR ， 表示被linux信号中断了 ， 这点需要注意一下 。recv函数与send函数情形一样 。
3、send函数虽然名称叫“send” ， 但是其并不是将数据发送到网络上去 ， 只是将数据从应用层缓冲区中拷贝到协议栈内核缓冲区中 ， 具体什么时候发送到网络上去 ， 与协议栈本身行为有关系（socket选项nagle算法与这个有关系 ， 下文介绍常见套接字选项时会介绍） ， 这点需要特别注意 ， 所以即使send函数返回一个大于0的值n ， 也不能表明已经有n个字节发送到网络上去了 。同样的道理 ， recv函数也不是从网络上收取数据 ， 只是从协议栈内核缓冲区拷贝数据至应用层缓冲区 ， 并不是真正地从网络上收数据 ， 所以 ， 调用recv时 ， 操作系统的协议栈已经将数据从网络上收到自己的内核缓冲区中了 ， recv仅仅是一次数据拷贝操作而已 。
4、由于套接字实现是收发全双工的 ， 收和发通道相互独立 ， 不会相互影响 ， shutdown函数是用来选择关闭socket收发通道中某一路（当然 ， 也可以两路都关闭） ， 其how参数取值一般有三个：SHUT_RD/SHUT_WR/SHUT_RDWR ， SHUT_RD表示关闭收消息链路 ， 即该套接字不能再收取数据 ， 同理SHUT_WR表示关闭套接字发消息链路 ， 但是这里有个问题 ， 有时候我们需要等待缓冲区中数据发送完后再关闭连接怎么办？这里就要用到套接字选项LINGER ， 关于这个选项请参考下文常见的套接字选项介绍 。最后 ， SHUT_RDWR同时关闭收消息链路和发消息链路 。通过上面的分析 ， 我们得出结论 ， shutdown函数并不会要求操作系统底层回收套接字等资源 ， 真正会回收资源是close函数 ， 这个函数会要求操作系统回收相关套接字资源 ， 并释放对ip地址与端口号二元组的占用 ， 但是由于tcp四次挥手最后一个阶段有个TIME_WAIT状态（关于这个状态下文介绍tcp三次握手和四次回收时会详细介绍） ， 导致与该socket相关的端口号资源不会被立即释放 ， 有时候为了达到释放端口用来复用 ， 我们会设置套接字选项SOL_REUSEPORT（关于这个选项 ， 下文会介绍） 。综合起来 ， 我们关闭一个套接字 ， 一般会先调用shutdown函数再调用close函数 ， 这就是所谓的优雅关闭：


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